3D打印技術在機械行業的應用

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摘要:為了促進3d打印技術在機械行業中的應用，分析了機械行業發展現狀，介紹了3D打印技術發展歷程和原理，探討了3D打印技術在機械行業中的應用及優勢，以改變傳統的制造方式，提升機械行業生產效率和質量。

關鍵詞:3D打印;機械;應用

1機械行業發展現狀

機械行業是一個國家的基礎支柱產業，相較于國外對機械智能化、自動化的研究，我國仍停留在人工操作階段，在技術層面上差距較大，這也導致在生產中需要消耗更多人力和財力。由于生產企業過多，市場競爭導致整個行業生產集中力降低，生產水平低下，嚴重阻礙了機械行業的發展。要加強對信息化生產的開發，促進我國工業化的健康發展。機械行業存在著總體規模小、水平不高、結構不合理、體制改革和機制創新滯后等問題。現代制造服務業發展落后，已成為制約我國制造業加快調整產業結構、轉變經濟增長方式的重要因素。要加快發展生產性服務業，包括有序拓展金融服務業，培育壯大高技術服務業等，推動產業的快速發展。我國工程機械行業內部子行業眾多，產品覆蓋范圍廣。未來，房地產行業和大型基建工程投資是工程機械行業兩大主力消費市場，工程機械產品將進入新一輪更新換代周期。應強化品牌效應、規模效應，提升抗風險能力。

23D打印技術

2.1發展歷程及優勢

1892年，J.E.Blanther申請了關于分層制造法制造地形圖的美國專利(專利號473901)，這一專利標志著分層制造的開端。其后，近百年的時間內，關于分層制造的專利數增加到幾百個，為3D打印技術的商業應用做了大量的準備。1984年，BillMaster獲得了第一個3D打印專利US4665492A，專利名稱是“計算機自動制造過程和系統”，這份文件在USPTO備案，是歷史上第一項3D打印專利，為3D打印系統發展奠定了基礎。3D打印技術是利用光固化和紙層疊等技術的快速成型裝置。它與普通打印工作原理基本相同，打印機內裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，把計算機上的藍圖變成實物。3D打印機可以隨時隨地生產，相比于傳統制造，其應用極大程度降低了成本［1］。3D打印技術具有七大優勢:一是制造復雜物品，不增加成本。在常規生產中，目標的外形愈是復雜，其生產費用愈高。對于3D打印機來說，制作復雜的產品成本并沒有上升，制作精美、造型繁復的產品花費的時間、技能和成本都要少得多。將來的生產費用將僅以原料及容積做為固定費用，可能不會再有開模、精磨等費用。二是無須組裝。3D印刷業務可以實現零件的整體成形。傳統的批量制造是基于裝配流水作業，在現代化車間里，機械制造出同樣的零件，再通過機器人或人工進行裝配，組件的數量愈多則花費愈多的時間與費用。3D打印機可以在不裝配的情況下，一次印刷一道門和其上的對應折頁，省去裝配，減少供應鏈，節約人力和交通成本。三是零時間交付。3D打印機能根據需要進行印刷，即刻生產降低了公司存貨，可以利用3D打印機按照顧客要求來制作特殊或自定義商品，從而實現新的業務方式。如果人們需要的產品在附近，那么零點交貨可以將遠距離的運輸費用降到最低。四是設計空間無限。常規的生產工藝和手工制品生產工藝限制了其成型的性能。比如，常規的木質機床只能生產原制品，而磨坊只能生產由銑刀片裝配的零件，模具機床則只能模具成型。3D打印機能夠打破這種限制，打開廣闊的設計領域。五是零技能制造。一般手工藝人要經過數年的學習，方能熟練使用技藝。電腦操控的加工機械減少了技術需求，但常規的機械設備仍需要有經驗的專家來調試和校正。3D打印機從圖紙中獲取不同的指令，制作出相同的產品，其所需的技術要求要比注射成型設備更低。無技術的生產開拓了新的業務模式，可以為人們創造出新的生產方法。六是材料無限組合。多材質3D印刷技術能夠把各種原料進行整合，原來不能混和的原材料經過混合后會變成色彩多樣的新型物料。七是精確的實體復制。掃描與3D印刷技術將提升現實與數碼世界的形體轉化解析度，人們可以掃描、編輯、復制實物物件，制作準確的復制或最佳原稿。

2.2打印原理及過程

傳統打印機的產物是平面圖紙，使用介質是紙張，而3D打印機的產物是立體物品，介質是金屬、陶瓷、塑料等材料。3D打印機的“3D”是將每個平面一層層疊起來，按照操作系統設定的要求，實現藍圖的實體化。3D打印過程是通過計算機建模軟件建模，將建成的三維模型“分區”成逐層的截面，即切片，從而指導打印機逐層打印。三維設計。標準的設計軟件和印刷機的合作方式是STL文檔。STL檔案利用三角形曲面來逼近對象的曲面。PLY是一種由3D文檔掃描的掃描儀，它所生成的VRML和WRL文檔通常作為彩色印刷的輸入文檔。切片處理。打印機用液體、粉末或薄板等物質在文檔中閱讀剖面的資料，用不同的方法把各個部分結合在一起，形成一個整體。在平面上，也就是在X－Y方向上，由印刷機打出的橫斷面的厚度(也就是Z方向)和在X、Y的平面上的分辨率，用dpi(象素/吋)或用微米來表示。通常的印刷厚度是100μm，也就是0.1mm，有些印刷機如ObjetConnex和3DSystems'Pro-Jet，能夠印刷出16μm的單片。在平面上能達到與激光打印機同樣的精度。“墨水滴”的印刷尺寸一般在50～100μm。完成打印。三維印刷機的解析度能滿足大多數情況(曲面上的凹痕會變得更粗糙)，要得到更高清晰度的產品，可以采用以下方式:使用現有的3D印刷機將尺寸略大一些的物件打出來，進行輕微的拋光處理，使其具有平滑的高分辨率外觀［2］。

2.3發展前景

豐富的材料選擇。3D打印材料從材料類型上可以分為金屬和非金屬。3D打印材料主要為金屬材料，包括鈦合金、不銹鋼、鋁合金及其他金屬，占比超過40%;工程塑料ABS、尼龍、PLA等主流3D材料各占比在10%以上。在傳統工藝中，金屬材料由于其本身性能的限制，主要用于生產模具，但3D打印技術包容性更強，幾乎任何材料都可以實現無膜化定制，產物質量相對更好。圖12021技術廣泛應用。材料選擇的豐富化可以推動3D打印技術在更多領域的應用。我國3D打印技術相較國外起步較晚，技術研發深度不夠，實際應用經驗不足，在短時間內并不能產生經濟效益。因此，3D打印技術在各行業中的應用存在較大的局限性，3D打印行業應用占比如圖2。隨著科技發展，3D打印技術將在各行業中廣泛應用。標準的機構。當一間實驗室作出了圖紙，需要共享時，會發現有諸多格式和標準，因此，3D打印原型機需要統一標準。開源的設計、配置和軟件。當有了統一的標準后，3D打印行業將會迎來開源。大多數的團隊注重提高自身3D打印水平，處于自我閉環發展。實際上，行業需要設備和軟件的開源，在統一的標準下產生更多有用、高效、開放的創新。原型機實驗室。人們對原型機打印并不重視，目前，已有商業化運營的3D打印實驗室，來幫助企業打印出質量更高的原型機。

2.4局限因素

工業印品可以用塑料、金屬或陶器進行印刷，但是有些不能用來印制的原料則更加珍貴。目前，印刷術還不夠完善。3D印刷技術在重構對象的幾何結構和功能方面取得了進步，甚至可以印刷出所有靜止的圖形，但移動對象的清晰度卻很難達到，3D印刷技術成本較高，還需進一步普及，克服機械設備的局限性。3D印刷技術可以任意拷貝，沒有限制，需要完善3D印刷相關的法律和法規，保障其版權安全［3］。

33D打印技術在機械行業中的應用及優勢

3.13D打印技術在機械行業中的應用

設計理念革新。3D打印技術可簡化產品設計、加工過程和生產線流程，提升生產效率，提高產品質量。3D打印技術可以精確還原結構復雜的零件，保證其質量［4］。3D打印技術的核心是計算機程序，通過網絡技術實現數據交互，從而實現產品成型。深化3D打印技術在機械自動化領域中的應用，能極大促進機械行業的智能化發展［5］。3D打印增材。3D打印增材是在打印過程中持續放入原材料，以光固法和紙層疊法為基礎的疊加原理，是產品成型的新技術。機械制造需要嚴密的計算和精確的數據，盡可能減小誤差，提高產品質量。3D打印增材技術將數學應用技術融入其中，在保證輸入數據準確的前提下，為產品的精確生產提供了良好條件。此技術已應用于航空航天載具的工具組件生產，不僅提高了成品質量，還降低了原料和時間投入［6］。增材制造可以減少生產過程中的材料浪費［7］。與CNC技術融合。CNC技術也稱減材制造技術，其工作原理是通過持續減少原材料，促使產品的生成。其與3D打印技術原理相反，將兩者融合，可優化機械生產流程，有效解決數控技術無法完成的產品加工，節省原材料，杜絕浪費，保護環境，提高機械零件的精度和質量［8］。

3.2應用優勢

降低成本。相較于傳統生產工藝，3D打印技術能有效縮短機械零件的生產準備時間和生產時間，可提高批量生產效率，保障產品質量，降低材料成本。當機械出現問題時，傳統的檢查方式需要拆卸機械，對內部受損零件進行更換或維修，采用3D打印技術可以精準定位故障位置，延長機械使用壽命，縮短故障維修時間［9］。緩解產能過剩情況。由于產品同質化嚴重，如果質量不符合出口標準，將浪費大量資源，影響企業資金流動。利用3D打印技術可實現定制化生產，根據客戶需求進行生產，生產周期短，效率高。3D打印技術便于機械產品設計，可有效緩解機械制造業產能過剩問題。加快產品開發。產品的質量是判斷機械行業水平的標準，傳統工藝生產需要使用各種大型設備，如工裝夾具和機床等，需要人工操作，不僅耗時還需要投入大量的人力和物力。在產品進入市場前，需要經過質量檢測，待全部合格后才能批準進入市場，若存在質量問題就會被退回，自行修改或報廢。傳統工藝生產的產品容易出現質量缺陷，退回的產品無論是修補或報廢都將造成較大的經濟損失。在這樣的狀況下，機械廠就無法致力于產品的創新開發。3D打印技術的應用可減少質量缺陷，進一步提高生產效率和質量［10］。推動行業發展。3D打印技術能將概念轉換為實踐，在設計過程中對概念產品的數據進行修改和調整，激發設計人員的創新意識，改變傳統的制造方式，在更新產品的同時，還能縮短設計周期，降低成本，提升機械行業經濟效益，推動行業發展。

4結語

機械行業應推廣應用先進的3D打印技術，提高生產效率和質量，降低成本，提升經濟效益，促進機械行業的可持續發展。

參考文獻:

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［2］沈曉偉.3D打印技術在機械設計制造領域中的應用［J］．中國新技術新產品，2020，(11):20－21.

［3］徐冰.3D打印技術在機械自動化領域的應用［J］．黑龍江科學，2019，10(18):74－75.

［4］扈恩同.3D打印技術在機械制造中的應用研究［J］．世界有色金屬，2018，(01):42－43.

［5］楊力波.3D打印技術在機械自動化領域的應用［J］．建筑工程技術與設計，2018，(02):62－63.

［6］陳志剛.3D打印技術在機械自動化領域的應用研究［J］．中國科技投資，2019，(10):209.

［7］王智昊.3D打印技術在機械自動化領域的應用［J］．電子技術與軟件工程，2018，(01):105.

［8］周建波.3D打印技術在機械制造領域中的作用［J］．科技與創新，2016，(14):36.

［9］吳優楠.3D打印技術在機械自動化領域的應用探討［J］．湖北農機化，2020，(02):75.

［10］沈榴月.淺析3D打印技術在機械制造中的應用［J］．課程教育研究，2018，(20):216.

作者：李文蓮 單位：山東華宇工學院機械工程學院