“3D打印-精加工”模式的3D打印設(shè)備專(zhuān)利技術(shù)分析

張廣耀 唐紹華

摘要：本文對(duì)“3D打印-精加工”模式的3D打印設(shè)備專(zhuān)利申請(qǐng)進(jìn)行了介紹，從歷年申請(qǐng)量、申請(qǐng)人、重點(diǎn)技術(shù)分析等方面著手，探討了國(guó)內(nèi)外“3D打印-精加工”模式的3D打印設(shè)備的發(fā)展?fàn)顩r，并對(duì)3D打印機(jī)行業(yè)的發(fā)展提出了建議。

關(guān)鍵詞：3D打印;精加工;專(zhuān)利

中圖分類(lèi)號(hào)：TB476 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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”這一概念最早是在20世紀(jì)80年代提出的，1986年Charles Hull開(kāi)發(fā)第一臺(tái)3D打印機(jī)，至今，3D打印已有30多年的發(fā)展歷史了。3D打印技術(shù)由于其簡(jiǎn)化制造工藝、減少物料和能源消耗、提高設(shè)計(jì)效率和制造速度等優(yōu)點(diǎn)，備受人們關(guān)注，英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志更是將3D打印稱(chēng)作是第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一，并提出3D打印技術(shù)將與機(jī)器人、人工智能等其他數(shù)字化制造技術(shù)共同推動(dòng)新工業(yè)革命的興起。

傳統(tǒng)的3D打印過(guò)程中，通常經(jīng)過(guò)三維建模、分層處理、疊加打印等過(guò)程，以得到零件、模具、人體器官等制品，但是直接打印的產(chǎn)品難免會(huì)有飛邊、毛刺等粗糙面，而且對(duì)于高精度制品，只能通過(guò)減小噴頭出絲直徑來(lái)獲取，但無(wú)限的減小噴頭出絲直徑又會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)效率無(wú)限降低，對(duì)于大尺寸的產(chǎn)品成型需要更多時(shí)間，因此，對(duì)于需要獲得質(zhì)量高、精度要求高的制品，往往要借助后加工處理，如切削加工等。將3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的數(shù)控加工技術(shù)聯(lián)用，形成“3D打印-精加工”的模式可以降低3D打印的制造難度、提高產(chǎn)品制造速度。

對(duì)于“3D打印-精加工”模式的3D打印，一般是在建模過(guò)程時(shí)增加一定的加工余量，待3D打印完成或者3D打印的同時(shí)，通過(guò)切削處理等，將多余的物料除去，以得到表面質(zhì)量高、精度高的產(chǎn)品[1-4]。

本文通過(guò)IPC分類(lèi)號(hào)和關(guān)鍵詞對(duì)中外專(zhuān)利進(jìn)行檢索，獲得176篇相關(guān)專(zhuān)利文獻(xiàn)，數(shù)據(jù)截止日期為2018年12月公開(kāi)的專(zhuān)利文獻(xiàn)。

2 “3D打印-精加工”專(zhuān)利申請(qǐng)情況

對(duì)“3D打印-精加工”模式的3D打印設(shè)備的歷年專(zhuān)利申請(qǐng)情況進(jìn)行分析，由圖1可知：該模式的3D打印設(shè)備自2012年得到較快發(fā)展，一方面由于3D打印技術(shù)的日益成熟，相比于傳統(tǒng)制造技術(shù)，3D打印技術(shù)具有無(wú)需借助模具可直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)生成任何形狀的零件而大幅縮短生產(chǎn)周期的優(yōu)點(diǎn)，使得3D打印技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用得到更多關(guān)注;另一方面也得益于3D打印設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展，人們對(duì)打印出的零部件的精度也要求越來(lái)越高，而3D打印屬于增材制造，傳統(tǒng)的機(jī)加工多屬于減材制造，為生產(chǎn)出更符合大眾要求的3D產(chǎn)品，結(jié)合機(jī)加工中數(shù)控技術(shù)的成熟應(yīng)用，對(duì)3D產(chǎn)品進(jìn)行進(jìn)一步的機(jī)加工應(yīng)運(yùn)而生，“3D打印-精加工”模式的3D打印設(shè)備一并得到快速發(fā)展。

由圖2可以看出：企業(yè)、高校、個(gè)人都對(duì)“3D打印-精加工”模式的3D打印設(shè)備進(jìn)行了深入研究，究其原因是3D打印產(chǎn)品要蓬勃發(fā)展最終還是要得以應(yīng)用，這就要求在3D打印過(guò)程中或結(jié)束對(duì)3D產(chǎn)品進(jìn)行機(jī)加工或者雕刻，以得到符合應(yīng)用要求的產(chǎn)品。企業(yè)為占領(lǐng)市場(chǎng)加大研究，3D打印-精加工也備受高校研究者的追捧，個(gè)人研究的高漲也顯示了對(duì)3D打印-精加工設(shè)備的迫切需要。

在統(tǒng)計(jì)的176篇有關(guān)“3D打印-精加工”模式的3D打印設(shè)備的專(zhuān)利中，中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)排在首位，中國(guó)涌現(xiàn)了許多3D打印企業(yè)，且隨著大眾對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)的增加，中國(guó)申請(qǐng)量較大，涉及范圍較廣;其次是日本，日本是傳統(tǒng)模具行業(yè)的領(lǐng)頭羊，其模具制造行業(yè)代表了國(guó)際發(fā)展水平，同樣對(duì)于“3D打印-精加工”也進(jìn)行了廣泛研究;同樣美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、韓國(guó)、加拿大等對(duì)“3D打印-精加工”也進(jìn)行了大量研究。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

對(duì)于3D打印和精加工的聯(lián)用方式的3D打印設(shè)備，主要集中在以下三種結(jié)構(gòu)：（I）3D打印-移動(dòng)-精加工、（II）3D打印-原地精加工、（III）逐層打印-逐層精加工，結(jié)合圖3可以看出，對(duì)于這三種結(jié)構(gòu)的3D打印設(shè)備專(zhuān)利，第一種技術(shù)是3D打印與精加工的簡(jiǎn)單疊加，相對(duì)比較簡(jiǎn)單，申請(qǐng)量相對(duì)較少;第二種技術(shù)是一種較新的技術(shù)，由于其設(shè)備集成度高，深受研究人員的追捧;而對(duì)于第三種技術(shù)，由于過(guò)程比較復(fù)雜，因此申請(qǐng)量相對(duì)較少，但仍然是研究的重點(diǎn)方向之一（見(jiàn)圖3）。

3.1 3D打印-移動(dòng)-精加工

“3D打印-移動(dòng)-精加工”的模式即通過(guò)常規(guī)的3D打印方法成型制品，然后將制品通過(guò)機(jī)械手、傳送帶等方式傳送至另一個(gè)加工位置，進(jìn)行精加工，這種方法一般是在原有的3D打印設(shè)備上增加傳送設(shè)備、切削設(shè)備等，原有設(shè)備能夠繼續(xù)使用，減小設(shè)備投入成本，根據(jù)3D打印、精加工等過(guò)程的時(shí)間、節(jié)拍對(duì)加工流水線進(jìn)行調(diào)整、匹配，充分利用現(xiàn)有設(shè)備，避免了設(shè)備閑置，保證產(chǎn)品精度的同時(shí)提高工作效率，節(jié)約成本。

例如，CN203937192U公開(kāi)了一種集成有后續(xù)加工功能的3D打印設(shè)備，包括3D打印機(jī)本體和后處理設(shè)備，3D打印機(jī)本體用來(lái)完成工件的打印成型制作，后處理設(shè)備包括加工中心及用來(lái)將工件從3D打印機(jī)本體內(nèi)轉(zhuǎn)移至加工中心的工件轉(zhuǎn)移組件，加工中心內(nèi)包括移動(dòng)平臺(tái)和加工刀具總成，工件轉(zhuǎn)移組件采用機(jī)械手臂機(jī)構(gòu)，通過(guò)機(jī)械手臂機(jī)構(gòu)中的移動(dòng)部件驅(qū)動(dòng)機(jī)械手往返運(yùn)動(dòng)于3D打印機(jī)本體與加工中心之間。通過(guò)這種設(shè)備，不僅能夠得到高精度產(chǎn)品，同時(shí)只需要在原有的3D打印設(shè)備后續(xù)添加機(jī)械手、切削刀具等，降低了設(shè)備成本。

3.2 3D打印-原地精加工

“3D打印-原地精加工”模式的3D打印設(shè)備，一般是將3D打印噴頭和精加工刀具一體集中，利用這種方法可以精簡(jiǎn)打印設(shè)備，避免了產(chǎn)品在轉(zhuǎn)移過(guò)程中的損壞，節(jié)約生產(chǎn)空間。

公開(kāi)號(hào)為CN205416382U的中國(guó)實(shí)用新型專(zhuān)利提供了一種自動(dòng)切換主軸的多功能3D打印設(shè)備，如圖4所示，包括：3D打印機(jī)底座;3D打印機(jī)支架;X軸模組，X軸模組由設(shè)置在3D打印機(jī)支架頂部的第一電機(jī)驅(qū)動(dòng)在3D打印機(jī)支架上上下運(yùn)動(dòng);刀盤(pán)電機(jī)座，刀盤(pán)電機(jī)座內(nèi)安裝刀盤(pán)電機(jī)，刀盤(pán)電機(jī)座由設(shè)置在X軸模組一側(cè)的第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)沿水平方向運(yùn)動(dòng);打印物體支撐平臺(tái)，打印物體支撐平臺(tái)由設(shè)置在3D打印機(jī)底座上的第三電機(jī)驅(qū)動(dòng)沿水平方向運(yùn)動(dòng);安裝在刀盤(pán)電機(jī)輸出軸上并且隨刀盤(pán)電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)的刀盤(pán)，刀盤(pán)用于安裝3D打印主軸或者機(jī)床主軸。該設(shè)備可自動(dòng)切換主軸，實(shí)現(xiàn)3D打印、激光切割、激光雕刻、銑削加工、鉚接加工、超聲波輔助加工等多種功能。

3.3 逐層打印-逐層精加工

“逐層打印-逐層精加工”這種模式的3D打印設(shè)備繼承了“3D打印-原地精加工”模式的3D打印精簡(jiǎn)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，但產(chǎn)品精度更高，由于該設(shè)備是逐層打印、逐層精加工，因此生產(chǎn)效率有所降低;此外，對(duì)于控制裝置在打印過(guò)程中控制打印頭、刀具的切換，定位、數(shù)據(jù)處理等更為復(fù)雜。

公開(kāi)號(hào)為JP特開(kāi)2007-146216A的日本專(zhuān)利公開(kāi)了一種低成本三維物體制造裝置，如圖5所示，該裝置包括成型機(jī)、光學(xué)裝置和精加工工作機(jī)，成型機(jī)、光學(xué)裝置為傳統(tǒng)的激光燒結(jié)粉末成型設(shè)備，激光燒結(jié)粉末成型設(shè)備進(jìn)行層層燒結(jié)，當(dāng)燒結(jié)層的總厚度達(dá)到成型機(jī)銑刀的長(zhǎng)度值時(shí)，成型機(jī)的銑刀對(duì)燒結(jié)層進(jìn)行精加工，例如層壓該燒結(jié)層，精加工完成后重復(fù)粉末鋪層與燒結(jié)步驟。本申請(qǐng)通過(guò)逐層燒結(jié)與同時(shí)分層精加工可以獲得期望形狀的三維物體。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析可知，隨著3D打印機(jī)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、精度需求的不斷提升，“3D打印-精加工”的模式的3D打印設(shè)備也在不斷更新、發(fā)展，對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械加工與3D打印的聯(lián)合方式的研究也在飛速前進(jìn)，對(duì)未來(lái)我國(guó)裝備制造業(yè)的發(fā)展具有重大推進(jìn)作用。而 “3D打印-原地精加工”模式是3D打印與機(jī)加工聯(lián)用的主要方式，對(duì)于如何在生產(chǎn)過(guò)程中利用增材與減材相結(jié)合，將切削的材料直接利用于增材，從而打破傳統(tǒng)的增材與減材的加工方式，實(shí)現(xiàn)新型的綠色加工形式是3D打印與精加工聯(lián)用的難點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王至堯.增材制造3D打印未來(lái)[J].熱點(diǎn)關(guān)注，2013（6）：14-17.

[2] 董莘.“打印-加工”一體式3D打印技術(shù)的研究[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2015，34（12）：98-101.

[3] 袁婷婷.桌面型增減材復(fù)合數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)械制造，2017，55（638）：14-17.

[4] 王運(yùn)贛，王宣.3D打印技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2014.