“3D打印-精加工”模式的3D打印设备专利技术分析

张广耀 唐绍华

摘要：本文对“3D打印-精加工”模式的3D打印设备专利申请进行了介绍，从历年申请量、申请人、重点技术分析等方面着手，探讨了国内外“3D打印-精加工”模式的3D打印设备的发展状况，并对3D打印机行业的发展提出了建议。

关键词：3D打印;精加工;专利

中图分类号：TB476 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）21-0059-03

Abstract： Patent application of “3D printing – finishing” mode’s 3D printer especially is introduced in this paper. It discusses the “3D printing – finishing” 3D printer at home and abroad from the aspects of application quantity， applicants and key technical analysis and puts forward some suggestions for the development of 3D printer industry.

Key words： 3D printing;finishing;patent

1 背景

“3D打印”这一概念最早是在20世纪80年代提出的，1986年Charles Hull开发第一台3D打印机，至今，3D打印已有30多年的发展历史了。3D打印技术由于其简化制造工艺、减少物料和能源消耗、提高设计效率和制造速度等优点，备受人们关注，英国《经济学人》杂志更是将3D打印称作是第三次工业革命的重要标志之一，并提出3D打印技术将与机器人、人工智能等其他数字化制造技术共同推动新工业革命的兴起。

传统的3D打印过程中，通常经过三维建模、分层处理、叠加打印等过程，以得到零件、模具、人体器官等制品，但是直接打印的产品难免会有飞边、毛刺等粗糙面，而且对于高精度制品，只能通过减小喷头出丝直径来获取，但无限的减小喷头出丝直径又会导致生产效率无限降低，对于大尺寸的产品成型需要更多时间，因此，对于需要获得质量高、精度要求高的制品，往往要借助后加工处理，如切削加工等。将3D打印技术与传统的数控加工技术联用，形成“3D打印-精加工”的模式可以降低3D打印的制造难度、提高产品制造速度。

对于“3D打印-精加工”模式的3D打印，一般是在建模过程时增加一定的加工余量，待3D打印完成或者3D打印的同时，通过切削处理等，将多余的物料除去，以得到表面质量高、精度高的产品[1-4]。

本文通过IPC分类号和关键词对中外专利进行检索，获得176篇相关专利文献，数据截止日期为2018年12月公开的专利文献。

2 “3D打印-精加工”专利申请情况

对“3D打印-精加工”模式的3D打印设备的历年专利申请情况进行分析，由图1可知：该模式的3D打印设备自2012年得到较快发展，一方面由于3D打印技术的日益成熟，相比于传统制造技术，3D打印技术具有无需借助模具可直接从计算机图形数据生成任何形状的零件而大幅缩短生产周期的优点，使得3D打印技术在工业生产的应用得到更多关注;另一方面也得益于3D打印设备的进一步发展，人们对打印出的零部件的精度也要求越来越高，而3D打印属于增材制造，传统的机加工多属于减材制造，为生产出更符合大众要求的3D产品，结合机加工中数控技术的成熟应用，对3D产品进行进一步的机加工应运而生，“3D打印-精加工”模式的3D打印设备一并得到快速发展。

由图2可以看出：企业、高校、个人都对“3D打印-精加工”模式的3D打印设备进行了深入研究，究其原因是3D打印产品要蓬勃发展最终还是要得以应用，这就要求在3D打印过程中或结束对3D产品进行机加工或者雕刻，以得到符合应用要求的产品。企业为占领市场加大研究，3D打印-精加工也备受高校研究者的追捧，个人研究的高涨也显示了对3D打印-精加工设备的迫切需要。

在统计的176篇有关“3D打印-精加工”模式的3D打印设备的专利中，中国专利申请排在首位，中国涌现了许多3D打印企业，且随着大众对知识产权保护意识的增加，中国申请量较大，涉及范围较广;其次是日本，日本是传统模具行业的领头羊，其模具制造行业代表了国际发展水平，同样对于“3D打印-精加工”也进行了广泛研究;同样美国、德国、英国、韩国、加拿大等对“3D打印-精加工”也进行了大量研究。

3 关键技术分析

对于3D打印和精加工的联用方式的3D打印设备，主要集中在以下三种结构：（I）3D打印-移动-精加工、（II）3D打印-原地精加工、（III）逐层打印-逐层精加工，结合图3可以看出，对于这三种结构的3D打印设备专利，第一种技术是3D打印与精加工的简单叠加，相对比较简单，申请量相对较少;第二种技术是一种较新的技术，由于其设备集成度高，深受研究人员的追捧;而对于第三种技术，由于过程比較复杂，因此申请量相对较少，但仍然是研究的重点方向之一（见图3）。

3.1 3D打印-移动-精加工

“3D打印-移动-精加工”的模式即通过常规的3D打印方法成型制品，然后将制品通过机械手、传送带等方式传送至另一个加工位置，进行精加工，这种方法一般是在原有的3D打印设备上增加传送设备、切削设备等，原有设备能够继续使用，减小设备投入成本，根据3D打印、精加工等过程的时间、节拍对加工流水线进行调整、匹配，充分利用现有设备，避免了设备闲置，保证产品精度的同时提高工作效率，节约成本。

例如，CN203937192U公开了一种集成有后续加工功能的3D打印设备，包括3D打印机本体和后处理设备，3D打印机本体用来完成工件的打印成型制作，后处理设备包括加工中心及用来将工件从3D打印机本体内转移至加工中心的工件转移组件，加工中心内包括移动平台和加工刀具总成，工件转移组件采用机械手臂机构，通过机械手臂机构中的移动部件驱动机械手往返运动于3D打印机本体与加工中心之间。通过这种设备，不仅能够得到高精度产品，同时只需要在原有的3D打印设备后续添加机械手、切削刀具等，降低了设备成本。

3.2 3D打印-原地精加工

“3D打印-原地精加工”模式的3D打印设备，一般是将3D打印喷头和精加工刀具一体集中，利用这种方法可以精简打印设备，避免了产品在转移过程中的损坏，节约生产空间。

公开号为CN205416382U的中国实用新型专利提供了一种自动切换主轴的多功能3D打印设备，如图4所示，包括：3D打印机底座;3D打印机支架;X轴模组，X轴模组由设置在3D打印机支架顶部的第一电机驱动在3D打印机支架上上下运动;刀盘电机座，刀盘电机座内安装刀盘电机，刀盘电机座由设置在X轴模组一侧的第二电机驱动沿水平方向运动;打印物体支撑平台，打印物体支撑平台由设置在3D打印机底座上的第三电机驱动沿水平方向运动;安装在刀盘电机输出轴上并且随刀盘电机输出轴的转动而转动的刀盘，刀盘用于安装3D打印主轴或者机床主轴。该设备可自动切换主轴，实现3D打印、激光切割、激光雕刻、铣削加工、铆接加工、超声波辅助加工等多种功能。

3.3 逐层打印-逐层精加工

“逐层打印-逐层精加工”这种模式的3D打印设备继承了“3D打印-原地精加工”模式的3D打印精简设备的优点，但产品精度更高，由于该设备是逐层打印、逐层精加工，因此生产效率有所降低;此外，对于控制装置在打印过程中控制打印头、刀具的切换，定位、数据处理等更为复杂。

公开号为JP特开2007-146216A的日本专利公开了一种低成本三维物体制造装置，如图5所示，该装置包括成型机、光学装置和精加工工作机，成型机、光学装置为传统的激光烧结粉末成型设备，激光烧结粉末成型设备进行层层烧结，当烧结层的总厚度达到成型机铣刀的长度值时，成型机的铣刀对烧结层进行精加工，例如层压该烧结层，精加工完成后重复粉末铺层与烧结步骤。本申请通过逐层烧结与同时分层精加工可以获得期望形状的三维物体。

4 结语

通过以上分析可知，随着3D打印机的不断进步与发展，对产品质量、精度需求的不断提升，“3D打印-精加工”的模式的3D打印设备也在不断更新、发展，对于传统的机械加工与3D打印的联合方式的研究也在飞速前进，对未来我国装备制造业的发展具有重大推进作用。而 “3D打印-原地精加工”模式是3D打印与机加工联用的主要方式，对于如何在生产过程中利用增材与减材相结合，将切削的材料直接利用于增材，从而打破传统的增材与减材的加工方式，实现新型的绿色加工形式是3D打印与精加工联用的难点。

參考文献：

[1] 王至尧.增材制造3D打印未来[J].热点关注，2013（6）：14-17.

[2] 董莘.“打印-加工”一体式3D打印技术的研究[J].自动化技术与应用，2015，34（12）：98-101.

[3] 袁婷婷.桌面型增减材复合数控机床结构设计与分析[J].机械制造，2017，55（638）：14-17.

[4] 王运赣，王宣.3D打印技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2014.