3D打印技术在机械制造中的应用研究

（抚顺矿务局职工工学院,辽宁 抚顺 113006）

随着“工业4.0概念”的提出，3D技术作为核心技术之一呈现出多元化、多领域的应用态势。在首饰、皮鞋、建筑材料、牙具、汽车制造、航天和军用方面的零部件等方面都有涉及，并即将成为首要的制造技术[1]。一些发达国家，把新能源技术和3D技术巧妙的结合起来，并给予了厚望，而我国在3D技术方面的发展还出去起步阶段，如果把3D技术和机械加工制造技术结合起来，那么我国机械制造业将迈上一个新的台阶。

3D打印技术与传统的机械加工制造的区别很大，传统的机械加工制造是通过改变生产对象的形态、结构、质量等，生产出成品的一系列过程，这个过程涉及的工艺比较复杂，如锻造、抛光、打磨、热处理等等。如果比较复杂的零部件，还需要一系列的工艺流程，且工艺流程的先后不能改变，按照提前设定的工艺流程进行，对于复杂的零件，需要更高级别的加工设备来完成[2,3]。而3D打印技术不需要事先设定工艺流程，不需要加工，只是通过在计算机上设定程序，只要能设定出具体的程序，就可以加工出对应的实物，优点是生产时间短、成本低、质量好、精度高等，而且还能生产出传统机械加工不能生产的零部件。3D打印技术在各行各业中的应用非常广泛，例如在医疗领域，可以为截肢患者打印出配套的器官，和原有器官按照1:1来加工，如何解决排异性，还的取决于制造器官的材料，如特殊高分子材料。

1 3D打印技术

3D打印技术最早是在1986年，最初是利用纸张叠加技术来快速产生物体的过程。与传统打印技术的工作原理相类似，传统打印机里装有墨盒，而3D打印机里装有金属或塑料等材料的粉末，通过计算机设定打印程序后，输出给3D打印机，逐层把打印材料输出叠加在一起，构成我们需要的实物。

（1）历史发展。1986年，Charles Hull开发了第一台3D打印机，到2017年阿迪达斯公司利用3D技术生产出一双运动鞋，在这30年的发展历程中，美国、英国、苏格兰等国家陆续有3D打印的产品问世，标志着3D打印技术逐步成型。我国在1994年制造出第一台增材打印机，原理是在三维坐标下，把需要打印的实体分成有限个平面，分别把每个平面内的组成部分打印出来，最后把这些部分相结合，形成实体。

（2）原理。3D打印技术的原理和传统打印原理类似，区别：传统打印技术的产物是平面图形，而3D打印技术的产物是立体图形；传统打印机是通过墨盒在纸上绘图，而3D打印技术里装有金属、塑料等介质，通过设定程序，把打印材料输出后叠加起来，最终打印出和实体比例1:1的物体，由于打印材料的不同，可以完成不同形状、不同组成结构的物体，并且针对于同一物体，还可以有不同的叠加方法。

（3）打印过程。通过分析打印物体的参数，建立起精确的数学模型，数学模型的精确建立有助于提高打印物体的相似度。把建立起来的数学模型利用CT技术进行切片，同时保留横截面的主要信息，要求有很高的分辨率。要想和实物相似度较高，一方面设定适合的分辨率，通常以微米级出现；另一方面就是材料和支撑物，材料的选择至关重要的。有些物体在打印的过程中需要物体支撑，尤其是一些从上到下打印的物体，这些支撑物必须可擦除的或可溶性的物体。

（4）局限性。3D打印通过3D打印机来完成，普通材料的打印可以实现，有些材料对打印机的要求比较高，对打印机的性能和要求是一个不小的挑战，而且有的打印材料比较稀缺。通常所说的3D打印技术打印的对象都是静态的，这样建模的过程比较简单，如果是动态的物体，其行为轨迹不确定，要想准确的分析还处在定量阶段。新技术、新产能的引入，使得大多数公司或科研机构都热衷于模仿，人们可以随意的去打印出各种物体，且数量不受限制，但是在知识产权至上的今天，没有一个明确的界限在区分是谁家的产物。

2 机械制造中的应用

现在机械加工制造领域最常用也是最经典的就是数控技术，简称CNC技术，与3D打印技术是两种截然不同的技术，一个是减材制造技术，一个为增材制造技术。

（1）增材技术。增材技术就是在加工中不断增加原材料，通过叠加原理使材料成型的技术。基于离散-堆积原理，由设定的三维坐标通过切片的方式生成实物，体现直接性，但这项技术综合了数学和图像领域的多种技术，如数学建模方法、数学分析方法、图像处理与仿真技术、机电技术以及金材等多学科。这项技术的局限性也是比较客观的，如材料分组的控制问题，直接体现在金属成型过程中，因为3D打印出的截面层层进行堆积，堆积的过程中，很容易出现金属氧化现象，会直接影响到制造实体的质量和性能；堆积层的层厚不易于掌控，堆积层太厚，制造实体的表面不光滑，精度下降，粗糙度增加；一些精度较高的制造件有可能需要多光束的配合才能完成，这些光束的频率、热量必须一致，并且同步制造，这样才能保证制造件的稳定性和效率。

（2）3D打印技术和CNC技术的结合。3D技术就是增材技术，利用金属和塑料、陶瓷的粉末通过喷嘴的方式来形成实体；CNC技术是减材技术，即在成品成型的过程中，不断进行削减加工物，最终形成实物。增材技术和减材技术相辅相成，相互补充。两者的结合可以简化工艺流程，拓宽加工的范围，解决了数控技术不能完成的复杂加工，解决了模具设计和制作成本，材料的浪费得到了改善，同时解决了切削液浪费和污染环境的问题。3D技术的精度不高，CNC技术很好的弥补了这一点。

3 结语

3D技术改变了传统机械加工制造的模式，通过加工材料累积的形式制造实体，使得受传统方式制约，无法实现的复杂零部件的加工成为可能。同时，3D技术渗透到各行各业，不断提高产品质量、精度的同时，降低成本，节约周期，随着技术的成型，应用领域也将不断扩大。

[1]刘铭，张坤，樊振中.3D打印技术在航空制造领域的应用发展[J].装备制造技术,2013（12）:232-235.

[2]孙晓林.3D打印技术的应用[J].机电产品开发与创新,201304.

[3]周军小.一种电气自动化控制系统.专利号:201720052044.8，2017,7,5.