论3D打印技术在机械自动化中的应用

丁 祎，宋欣钢，刘海娜

(1.黄河交通学院 机电工程学院，河南 焦作 454950；2.河南省智能制造技术与装备工程技术研究中心，河南 焦作 454950；3.焦作市物料输送设备关键件制造工艺与装备工程技术中心，河南 焦作 454950)

0 引言

机械制造业作为国家综合实力的集中体现，是国民经济不可或缺的部分。随着时代的不断发展，机械生产制造模式从传统的以人工为主逐渐发展为当前以机械自动化为主。3D打印技术作为快速成型技术(又称增材制造技术)，相对于传统机械制造工艺有着非常明显的优势。目前，3D打印技术在机械自动化行业之中已经得到了广泛的应用，前景良好，但也存在诸多局限性，需要做好对应的处理与推广工作。

1 3D打印技术原理及方法

3D打印技术主要是利用电子熔结、打印、激光烧结等技术，在最短时间内完成单个零件或者整个产品的设计与制造。如，基于CAD软件建立数字模型，通过3D打印机读取数字模型指令，然后打印产品。3D打印机是3D打印技术最为重要的实施载体，能够达到600 dpI分辨率，而层间厚度只有0.01 mm，相对于传统打印机打印效果更好。对于传统的产品加工，3D打印技术打破材料切割、组装等方式的局限，有效节约材料和制造时间。在过去，金属零件大多通过切削工艺进行加工和制造，在处理加工材料的过程中出现大量材料不能有效利用的问题，浪费资源。虽然运用3D打印技术制造的产品传统制造效果差异不大，但使用3D打印技术能够满足原材料结余需求。另外，传统基于统一化、标准化的产品流水线生产方式逐渐朝着定制化、个性化的方向发展，利用3D打印机可以制造个性化的产品，不需进行大规模生产，不需投入太多生产施工人员和存储仓库，并且基于用户服务网络、制造资源网络、市场销售等途径快速构建模型，很好地满足持久、高效的机械生产需求。

2 3D打印技术对于机械制造自动化的影响

机械制造的复杂性偏高，尤其是在开展机械设计工作时需要综合考虑人力资源、机械价格等因素，如在加工复杂零件时要综合考虑零件结构的合理性、人力运用、设备使用等众多因素。在机械自动化生产领域，应用3D打印技术可以解决传统生产过程中的很多问题。利用3D打印技术通过打印机快速制造设计以及图纸的相关产品。3D打印技术能够严格控制误差，最大限度满足加工的平稳性和精度要求。在传统的机械设计过程中，因为涉及到大量零散的机械零件，设计过程十分繁琐，而对于3D打印技术而言，相关设计人员要注意分析各个零散机械部件的结构形式，尽可能地进行整合设计，利用3D打印技术简化加工流程。相对于传统的自动化加工，使用3D打印技术的效果更加理想，误差控制水准更高，大大提升机械产品精度[1]。

3 3D 打印技术在机械制造自动化的应用

3.1 机械制造类学科教学

中国是机械制造大国，机械制造基础非常雄厚，而且机械制造的从业者以及专业领域的探索者、学习者队伍十分庞大。现阶段的机械制造类专业教学使用的现代化方式之一就是互联网和多媒体的模式，然而只限制在理论教学上。针对较为复杂的零部件及精密机械设备，只有虚拟的视频或图片是难以为学生详细呈现和讲解的。3D打印技术则能根据实物图便捷、精确地将各种各样的机械模型打印出来，这样的机械模型能够成为机械制造类专业教师良好的教具，让学生更直接地观察，产生直观印象，加深知识理解。不过当下这一辅助教学方式尚未大范围应用和推广，制约因素主要体现在两个方面：一个是机械制造类专业教师相对比较熟悉三维建模软件，可以利用相关软件有效地制作三维实体图并标注，再利用3D打印机进行实体模型的制作；另一个是应用范围受限，在机械制造类专业学科教学中使用的3D打印机无法量产，即便是专业教学模型也缺少大的市场空间。所以3D打印技术在机械制造类专业教学中的辅助应用还需要进一步探索。

3.2 机械制造科学研究

开展机械制造领域的科学研究工作是生产力得以提升的重要方式，加大工业科学研究力度是科学工作者的责任和使命。3D打印技术是很重要的一项科技成果，应在科学研究中得到广泛的应用。针对机械制造科学研究，应用3D打印技术能够大大简化建模流程，帮助研发人员节省更多时间，通过打印实物模型把握工作进度，使科研产品的市场化推广效率更高。

3.3 修复复杂的设备

在机械制造技术的研究与发展中，工业设备越来越复杂。机械设备零部件关系复杂直接影响着设备的整体运转，一旦部分零件损坏，维修难度较大。一些研究者运用3D打印技术手段创新激光成形修复技术。3D激光成形修复技术通过优化修复技术的成形部分，提升修复技术的先进性，并且这一技术使三维成形技术、表面强化技术融合在一起，修复复杂的机械设备时不再单纯使用同种材料。所以3D成形修复技术使机械设备维修工作效率有了一定的提升，让机械设备的运转更加高效，提高工业生产效率。考虑到机械设备类型多样，运行也较为复杂，目前市场上还没有针对特定零部件和设备的3D成形修复技术，3D激光成形修复技术也处于研究开发阶段，其实际应用和推广还需要时间。

3.4 快速制造机械模型

机械设备的体型往往较大，运往不同地区时不仅成本较高，还容易损坏。如果在产品展示交流环节使用机械模型，就能在充分展示机械设备特征的同时节省运输成本。在3D打印技术进入市场推广以前，制作机械模型是对其经济价值最显著的体现，也最容易实现。在构建机械模式的过程中，3D打印技术不仅可以缩小体型庞大的、结构复杂的机械设备产品进行展示、运输，还能放大体型较小、结构精密的复杂零部件，方便人们观察、学习。

4 3D打印技术在机械自动化中应用的实例分析

SLS 3D打印技术应用较为广泛，SLS 3D打印技术的优点是非常明显的。第一，成型材料广泛。理论上讲，加热之后原子之间可以粘结的粉末材料都可以作为成型材料。第二，材料使用率较高，可以重复使用没有烧结的粉末，避免浪费材料。第三，可以打印任何复杂结构，如空心结构、镂空结构等。第四，不需要支撑结构，进一步降低前期模型处理难度。第五，可以持续改善加工材料的种类，小批量生产的优势尤为明显。第六，SIS工艺力学性能良好[3]。

因为SLS工艺本身拥有大尺寸零件生成能力，同时生产产品机械性能良好，在装车试制之中非常适用。具体见图1所示的汽车内饰中SLS 3D打印工艺的使用，整个仪表盘零件长2 m、高70 cm、宽55 cm，通过SLS打印20多种零部件，再配合包胶、打磨、喷漆等后续处理工艺，实际误差值不超过1 mm。并且细节考究、工作精湛，在一周内就可以完成整体制作。相对于传统工艺，使用SLS工艺节约了80%的研发周期，同时节约了45%的制作成本、66%的人工成本。

图1 汽车内饰中SLS工艺的使用

5 结语

基于科学技术的发展，工业生产机械化水平得到极大的提升，能够更加便捷地应用打印技术。在优化机械制造工艺的过程中，结合3D打印技术，机械自动化领域生产制造技术的先进性、精确度等都实现了明显的提高。因此，3D打印技术已经得到很多关注和重视，也成为制造业今后应用和发展的主要方向，希望通过本文的分析与研究能够对3D打印技术有更全面的认识与了解，使3D打印技术在机械自动化之中得到更广泛的应用。