3D打印技术在机械制造自动化中的应用

摘  要：机械制造和机械加工是一个十分传统的领域，在漫长的人类社会中非常广泛地存在着。两次工业革命后，机械制造领域逐渐开始向自动化方向发展。而3D打印技术的出现，又为机械制造领域提供了一个新的方向。本文介绍了3D打印技术的特点，并介绍了3D打印技术的发展以及在机械制造自动化领域的应用，供相关人员参考借鉴。

关键词：3D打印;机械制造;自动化

中图分类号：TH164;TP391.73      文獻标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）19-0175-02

Abstract：Machinery manufacturing and machining are very traditional fields，which exist widely in the long human society. After the two industrial revolutions，the field of mechanical manufacturing gradually began to develop towards automation. The emergence of 3D printing technology provides a new direction for the field of mechanical manufacturing. This paper introduces the characteristics of 3D printing technology，and introduces the development of 3D printing technology and its application in the field of mechanical manufacturing automation for reference.

Keywords：3D printing;mechanical manufacturing;automation

0  引  言

科学技术发展至今，机械制造从传统的简单手工已经变成自动化的生产制造。机械制造业是一个国家综合实力的重要体现，也是国民经济的重要组成部分。3D打印技术作为一种增材制造与快速成型技术，相比于传统的机械制造工艺有其独特之处。如今3D打印技术已经逐渐应用于各行各业，并且有很大的发展前景。但是从目前的科技水平来看，3D打印技术依然还存在很大的局限性，还不能够全面地进入机械制造领域。

1  3D打印技术的产生和发展

3D打印（3DP）是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印与普通打印的工作原理基本相同，普通打印机采用的是各种颜色的染料，将计算机提前做好的程序打印到一张平面的物体上。而3D打印中所使用的是特殊的液体或者粉末，在通过计算机连接后，将计算机提前设置好的程序一层层叠加起来，将计算机中的蓝图直接打印成实体。3D打印技术最早出现在20世纪90年代的美国，1993年，美国麻省理工学院获得3D印刷技术专利，随后，美国的ZCorp公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发3D打印机。经过20余年的发展，3D打印技术已经在食品、医学、珠宝、航空、牙科和建筑等领域进行了很有效的尝试，也引起了社会各界的广泛关注。

2  3D打印技术特点

2.1  使用的材料比较特殊

从目前的3D打印技术来看，它所使用的材料相对较少，主要是尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏、铝材、橡胶等。虽然目前在高端的工业印刷中，一些塑料和金属材料可以应用，但都是比较稀缺和昂贵的。从目前3D打印机的种类和类型来看，还无法实现所有的金属和塑料材料都作为3D打印材料。而且这种限制不仅仅是3D打印技术本身的限制，同样是当下材料学界广泛存在的问题。

2.2  打印的产品规模较小

3D打印产品与3D打印机的类型有很大的关系，目前的3D打印技术还没有进入广泛的工业生产领域。因此，目前的3D打印的设备大部分规模较小，打印的产品也都以比较小的机械设备的零部件为主，一些大型的工农业生产的机械设备还无法使用3D打印技术进行制造。另外，3D打印技术所生产的机械设备，并不能进行结构的调整和转换，也无法安装其他的电子产品，所制造的产品，大多仅可供观赏而没有多大的实用价值。

2.3  制作成本较高

3D打印技术目前正处于开发实验阶段，在3D打印设备的生产方面还远远达不到工业的量产水平。除此之外，目前3D打印所使用的材料比较有限，而且都是经过特殊工艺制作的材料，成本偏高。总体而言，目前通过3D打印制造的产品，平均成本都要比传统工艺制造的产品要高很多。因此，在目前机械制造的市场环境下，3D打印技术还仅仅是处于初级的研发和实验阶段。

3  3D打印技术在机械制造自动化的应用

3.1  机械制造相关学科的教学

我国作为一个机械制造大国，不仅有十分雄厚的机械制造基础，同时也有非常庞大的机械制造的从业者和专业领域的学习和探索者。目前，在机械制造专业的教学中，采取的比较现代化的教学方法就是多媒体以及互联网的教学模式，但这仅仅是局限于理论教学。对于一些比较复杂的精密机械设备和零部件，仅仅有虚拟的图片和视频很难对学生进行详细的讲解。3D打印技术可以按照实物图，精确、方便地打印出各种机械模型。这种机械模型可以作为教师的教具，使学生能够更加直观地观看，便于对知识的理解。但是这种辅助教学目前还没有进行大范围的推广和应用，主要受到两方面的制约。首先，机械专业教师对一些三维建模软件比较熟悉，能够有效地通过相关的软件进行三维实体图的制作和标注，并且通过3D打印机制作成实体模型。另一方面，受于应用范围的限制，应用于教学的3D打印机并不能够用于量产，即使是教学模型，也没有多大的市场空间。因此，3D打印技术的教学辅助应用，还需要相关人员继续进行探索。

3.2  机械制造的科学研究

机械制造的科研工作是提高生产力的主要内容，加强工业科学研究，是我国科学工作者的重要使命。3D打印技术作为一项重要的科技成果，首先应该广泛用于科学研究中。在科研工作中，可以暂时忽略经济成本的问题，使3D打印技术能够在科研界得到更广泛的应用。在机械制造的科研工作中，3D打印技术的引入，可以有效地缩短建模过程，使得研发工作能够最大程度地节省时间，通过对实物模型的打印，科研工作者能够有效地把握工作进度，提高科研产品市场化推广的工作效率。

3.3  复杂设备的修复

随着机械制造技术的发展，工业设备也日趋复杂。机械设备复杂的零部件关系着整个设备的正常运转，而且有些零件一旦损坏很难进行维修。相关研究者利用3D打印技术完成了激光成形修复技术的创新。3D激光成形修复技术就是对修复技术中成形部分的优化，使得修复技术更加先进，同时这一技术也融合了三维成形与表面强化技术，在修复过程中，不用只是单纯使用一种材料。可以说，3D成形修复技术在一定程度上提升了机械设备的维修效率，使得机械设备能够更加有效地运转，提高工业生产的效率。由于目前机械设备种类较多，运行也比较复杂，市场上还没有特定的设备零件的3D成形修复技术。因此，目前正处在设备研发阶段的3D激光成形修复技术进入實际应用还需要一定的时间。

3.4  机械模型的快速制造

一般的机械设备体型都较大，在不同地区的运输成本较高，也容易造成设备的损坏。在产品的交流展示过程中，若是采用机模型，既能够有效地展示出机械设备产品的特点，也能够降低设备的运输成本。3D打印技术在进入市场推广之前，最有经济价值的体现就机械模型的制作，也是最容易实现的。3D打印技术在机械模式的构建中，既能够把复杂、体型庞大的机械缩小来进行运输和展示，同时也能够把结构精密、体型较小的复杂零件放大来供人们观察和学习。

4  结  论

综上所述，3D打印技术从诞生之初至今，已经在机械制造领域有了很大的发展。同时，3D打印技术在机械领域的市场前景也非常广阔。从目前的3D打印技术能够实现的效果来看，在机械教学、模型建造和行业科学研究中都会有广泛的应用前景。但是也应该注意到3D技术存在的局限性，认真分析3D打印技术的利弊，避免盲目跟风，浪费国家或者企业的财力物力，使3D打印技术能够合理科学地服务于机械领域。

参考文献：

[1] 孔令文.3D打印技术在机械自动化领域的应用 [J].智能建筑与智慧城市，2019（1）：68-70.

[2] 王坤.浅谈3D打印技术与传统机械制造融合的切入点 [J].科学技术创新，2018（4）：94-95.

[3] 刘壮，高长水.面向工程思维培养的“激光加工与3D打印技术”教学研究 [J].机械设计与制造工程，2017，46（12）：113-116.

作者简介：姜利华（1983.01-），女，汉族，山东肥城人，本科，研究方向：机械设计。