數(shù)控系統(tǒng)在3D打印領(lǐng)域中的應(yīng)用

董宇　佟強(qiáng)

摘 要：3D打印技術(shù)是將被加工零件進(jìn)行逐層分析，并且使用軟件生成相應(yīng)的運(yùn)行軌跡，而后使用打印機(jī)構(gòu)進(jìn)行逐層打印，采取逐層增加材料的方式進(jìn)行堆積成形，具體打印路徑的運(yùn)動控制語言可以根據(jù)運(yùn)動載體不同進(jìn)行對應(yīng)生成。相對于傳統(tǒng)方式具有快速成形和適用面廣的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)控技術(shù)在當(dāng)今的使用已經(jīng)非常普遍，操作人員熟悉和上手操作都非常快，而且其運(yùn)動控制的命令語言也基本上實(shí)現(xiàn)了規(guī)范統(tǒng)一。將數(shù)控技術(shù)應(yīng)用在3D打印上，將使得其在工業(yè)領(lǐng)域中得到有效的發(fā)展，本文闡述了在工業(yè)3D打印領(lǐng)域中如何對數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng) 3D打印 逐層增加 三軸機(jī)床

中圖分類號：TP334 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（c）-0089-01

隨著科技和時(shí)代的發(fā)展進(jìn)步，3D打印技術(shù)已經(jīng)成為一種新的技術(shù)潮流，并開始廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，較為突出的是模具制作，此外在汽車零部件、航空航天配件、玩具、珠寶、醫(yī)療、建筑、廚房家具用品等領(lǐng)域也擁有廣闊的應(yīng)用空間。與此同時(shí)作為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的最前沿?cái)?shù)控技術(shù)是一個由信息技術(shù)與傳統(tǒng)控制相結(jié)合的產(chǎn)物，在工業(yè)生產(chǎn)和控制領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用，多年的發(fā)展使其操作方式也普遍具有通用性，因此數(shù)控的使用在工業(yè)領(lǐng)域中更為大眾所認(rèn)可。本文即對3D打印技術(shù)的基本工藝原理以及數(shù)控的自身特點(diǎn)進(jìn)行概述，從而說明數(shù)控技術(shù)在3D打印設(shè)備上是如何實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用的。

1 3D打印機(jī)工作原理及其特點(diǎn)

3D打印技術(shù)又可以稱為快速成形，與其他材料添加制造技術(shù)相比，具備速度較快，成本便宜，高易用性，上手簡單等優(yōu)點(diǎn)。其基礎(chǔ)原理為，首先使用計(jì)算機(jī)通過特定軟件將三維實(shí)體模型按照一定的厚度進(jìn)行切片分層，將零件的3D形狀信息轉(zhuǎn)換成一組二維圖形下的信息，隨后再將每組二維圖形按照加工要求生成一定的填充路徑。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，將這些路徑對應(yīng)的加工程序?qū)氲?D打印機(jī)的控制系統(tǒng)之中進(jìn)行分層加工，疊加成形。在3D打印機(jī)系統(tǒng)的控制下，加工頭按照要求的填充路徑進(jìn)行移動，同時(shí)將填充材質(zhì)熔化堆積，直至填滿這一層要求的二維圖形，之后加工頭上升指定的厚度再重復(fù)這一二維圖形的運(yùn)動工作，逐層堆積成三維實(shí)體工件。

與傳統(tǒng)的減材加工方式不同，3D打印機(jī)采用的是逐層增加材料，因?yàn)槠涿恳粚拥募庸し绞脚c常用的平面打印機(jī)類似，都是繪制平面圖形，因而得名“打印機(jī)”，又因其逐漸形成三維立體實(shí)物模型，故而稱為“3D打印機(jī)”。由于這種機(jī)器是將被制造實(shí)物的組成材料熔化后凝結(jié)而成，因此預(yù)先的加工材料可以為粉末或者是絲狀物質(zhì)，同時(shí)其特有的熔化方式又令其不需要拘泥于極少范圍，大部分的金屬材料，塑料，橡膠，陶瓷，玻璃等可熔化并凝結(jié)成形的材質(zhì)都可以被加工出來。因此3D打印機(jī)的應(yīng)用范圍可以說非常廣泛，領(lǐng)域也可以橫跨工業(yè)，民用，醫(yī)療等方面。

與傳統(tǒng)的鑄造，減材加工技術(shù)相比，3D打印快速成形具有如下幾個優(yōu)點(diǎn)：

1）制造過程的柔性化程度比較高，由于其脫離了預(yù)先開局模具、使用專用工具和配套的卡具等方面的約束，因而能很簡潔的實(shí)現(xiàn)多種類、交替批量零件加工的快速轉(zhuǎn)換。其每個零件的加工過程主要是通過計(jì)算機(jī)配套軟件生成的特有程序來完成，硬件基本需要跟隨變化或變化很少，因此對于不同零件來說，只需要調(diào)用不同的文件即可。 2）產(chǎn)品研制周期時(shí)間縮短，制造加工速度快。其制造生產(chǎn)主要為計(jì)算機(jī)上的零件設(shè)計(jì)，3D成形，外形修剪等簡單的幾個加工步驟，顯著減少了傳統(tǒng)的加工工序，省去了最關(guān)鍵的模具設(shè)計(jì)和加工時(shí)間和相關(guān)費(fèi)用，快速的制造生產(chǎn)速度使產(chǎn)品的研制調(diào)試周期將大為縮短。3）產(chǎn)品的制造真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、智能化、并行化和無紙化。零件的設(shè)計(jì)、建模等工作完成后，直接可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行進(jìn)一步的分層和工藝設(shè)計(jì)，隨后生成加工路徑的程序，再導(dǎo)入到3D打印機(jī)的控制系統(tǒng)中來實(shí)現(xiàn)工件的制造生產(chǎn)過程。4）由于其快速熔化和凝結(jié)過程使得零件材料幾乎是完全致密的，顯微組織十分均用，不會有傳統(tǒng)鑄造和鍛造工件的宏觀組織缺陷，提高了材料的強(qiáng)度、塑性和耐腐蝕性能。5）可以實(shí)現(xiàn)多種材料以任意方式組合的零件制造技術(shù)。由于是每一層進(jìn)行加工，進(jìn)而逐漸組成，而各個分層中其實(shí)也可以看做為每一個點(diǎn)熔化凝結(jié)而成，因此原則上在制造過程中可以任意改變加工材料來滿足工件部分位置材質(zhì)和性能的搭配要求。

2 數(shù)控系統(tǒng)的功能及特點(diǎn)

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)字控制系統(tǒng)的簡稱，早期是與計(jì)算機(jī)同時(shí)并行發(fā)展演化的，主要用于控制自動化加工設(shè)備的，根據(jù)計(jì)算機(jī)存儲器中存儲的控制程序，通過利用數(shù)字、文字和符號組成的指令來實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的動作控制，這種專用系統(tǒng)被稱為數(shù)控系統(tǒng)。一個相對完整的CNC系統(tǒng)由數(shù)控程序存儲裝置、計(jì)算機(jī)控制主機(jī)、可編程邏輯控制器、主軸驅(qū)動裝置和進(jìn)給伺服驅(qū)動裝置以及部分外圍輔助功能的數(shù)字量開關(guān)和檢測裝置等組成。以上各部分的有機(jī)結(jié)合，組成了完整的閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)。

數(shù)控系統(tǒng)具有靈活性和通用性特點(diǎn)，其功能主要由相應(yīng)的控制軟件來實(shí)現(xiàn)，而且多年的發(fā)展使其采用模塊化結(jié)構(gòu)，從硬件配置方式以及指令語言已經(jīng)接近于統(tǒng)一形式。數(shù)控系統(tǒng)的編程方法有手工編程和自動編程兩種。簡單的動作可以采用手工編程，一個復(fù)雜零件的加工，采用計(jì)算機(jī)或軟件自動編程。只要我們按照數(shù)控指令程序要求的格式生成相應(yīng)的語言即可。

此外數(shù)控系統(tǒng)還具備的優(yōu)點(diǎn)有：補(bǔ)償功能可以有效的彌補(bǔ)運(yùn)動精度、隨機(jī)誤差和非線性誤差。高級人機(jī)對話窗口的直觀界面。豐富的故障自診斷及保護(hù)功能大大的提高了其運(yùn)行的可靠性。具有的菜單提示功能使其維護(hù)更加方便。電子元件的高集成度使其控制部分所占空間相對較小。

綜上所述的特點(diǎn)，使得數(shù)控系統(tǒng)在3D打印機(jī)的應(yīng)用上優(yōu)勢明顯。工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ跀?shù)控系統(tǒng)和3D打印機(jī)來說都是最廣泛的應(yīng)用環(huán)境，將兩者有機(jī)的結(jié)合在一起對于使用方會更加方便，具體方法如為：機(jī)型為龍門式三軸立式機(jī)床，Z軸裝夾專用3D打印頭，采用垂直向下工作的方式，加工頭在水平移動式始終保持垂直于被制造零件。由于其不含主軸該為打印頭替代，因此打印頭的指令可以使用主軸的命令來替代，M03作為打印熔化的啟動，M05作為停止。對于不同工藝要求的加工功率，即熔化功率可以使用主軸轉(zhuǎn)速的命令S代碼來表示，如S1000可以表示輸出1000W功率進(jìn)行熔化加工。水平方向的運(yùn)行命令使用最基本的X、Y軸運(yùn)行指令，提升使用Z軸指令，均為數(shù)控系統(tǒng)的通用命令。

3D打印專用按照以上模式生成數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)化指令后，只需要將加工程序通過移動設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入到數(shù)控系統(tǒng)中調(diào)用即可。制造成形時(shí)所需要的其他動作，如噴粉或吐絲，出激光或加熱等指令可以在數(shù)控機(jī)床制造時(shí)預(yù)先設(shè)定好，只需要生成的程序中對照的添加好即可。

因此這種應(yīng)用方式在使用和后期維護(hù)保養(yǎng)等方面都會相對容易，更為使用者所接受。

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