數控機床與打印的一體化制造研究

牛璞

摘要：數控機床的技術損失和非技術損失非常嚴重。通過3D打印技術與數控機床完美的結合，取長補短，可以有效減少加工過程的損失，提高生產效率，對于加快先進制造業的發展，促進信息化和工業化的深度融合，促進產業轉型升級具有重要作用。

Abstract： The technical and non-technical losses of nc machine tools are very serious. The perfect combination of 3D printing technology and CNC machine tools can effectively reduce the loss of processing， improve production efficiency， and play an important role in accelerating the development of advanced manufacturing industry， promoting the deep integration of informatization and industrialization， and promoting industrial transformation and upgrading.

關鍵詞：數控機床;3D 打印;一體化

0? 引言

隨著我國經濟和制造業的不斷發展，數控機床在我國工業生產中發揮著重要作用，但是當數控機床投入到實際生產中以后，暴露出了一系列的問題。它會在生產過程中產生大量的碎屑垃圾，其中包括氣體垃圾和液體垃圾。這就是說數控機床在應用過程中會對環境造成很大的污染，時至今日，我們還沒有找到一種能夠切實解決這個問題的辦法。

3D打印技術在國外得到了普遍應用，并且這種技術得到了迅速的發展，到了今天，這種技術已經日漸成熟。現在國外的很多工廠都已經能夠熟練地運用這種技術。他們可以通過逐層添加金屬粉末的方式進行生產。由3D打印技術生產出來的汽車、飛機等交通工具已經投入了使用。這就為我們發展大型機械投入到我們的制造業中，提供了全新的思路。但是單單依靠3D打印技術進行生產，仍然存在強度較低的問題。所以我們把3D技術與數控機床有效結合在一起，通過這種方式把數控機床產生的廢屑直接加注到3D打印機中，通過加工以后，用于制造強度要求較低的部件。這樣不僅提升了生產效率，而且做到了對廢屑的再次利用，節省了成本，并且減少了生產過程中造成的污染問題。

1? 數控機床與3D打印的介紹

1.1 數控機床與3D打印

隨著科學技術的發展，到20世紀中葉的時候，自動化技術隨著電子計算機的應用和數據處理技術的提升而被賦予了新的概念。數字化信號被成功運用到了機床加工中，這一技術的革新，促進了機床自動化的發展，于是產生了數控機床這樣一中新型加工設備。而3D打印技術基于三維設計模型為藍，運用軟件技術進行分層離散，使金屬粉末、塑料等特殊材料通過激光束把他們堆積粘結。最后，形成疊加狀態，最終產生固體產品。

1.2 數控機床與3D打印的區別

數控機床在工作中，通常采用切削形式進行。通俗地講就是數控機床采用的方式是在原材料上經過切削，去除多余的部分，最終讓材料形成要求達到的形狀。對于金屬則采用鍛造的方式進行加工。

而3D打印技術則與數控機床的工作方式不同，它使用的是添加式生產。3D打印機在工作的過程中，軟件系統會通過輔助系統對目標產品進行掃描，然后把數據傳送到3D打印機，然后會根據這些數據，把原材料進行堆疊，最終形成產品。

1.3 數控機床與3D 打印機的局限性

在機床使用過程中，各種損耗占大多數。材料利用率低，消耗大量加工時間。如果材料利用率能提高10%，每年可以節約10萬多噸鋼材。以航空發動機制造為例，零件加工過程中，材料的利用率只有15%。

3D打印技術截止到現在還不完善，生產加工存在局限性。如需要高強度的零件不能通過3D打印進行生產，高性能零件需要精確控制的零件也不能打印生產。

2? 3D打印與數控機床相結合的必要性及應用

2.1 3D 打印與數控機床相結合的必要性

由于傳統的處理方法消耗了大量的能源和材料，污染了環境，我們需要找到新的方法來解決今后的這種短缺問題。

減少3D 打印的成本，大幅減少材料浪費，消除模板制作等步驟。縮短了產品制造周期，提高了生產效率。3D 打印節省能源消耗，節省時間成本和勞動力成本等。

目前，3D打印技術仍不完善，加工產品受到某些限制，例如，不能3D打印生產高密度金屬件，飛機引擎中的高性能部件不能制造，在制造過程中需要精確控制溫度的部件目前不能打印。但是，數字控制處理方法，通過去除多余的材料生產的，不改變材料特性，處理部件的密度和質量都很高。

通過討論，我們可以把兩種方法結合起來，提高生產效率，減少浪費，避免環境污染。

2.2 數控機床和3D打印集成制造應用

一體化制造是一種將數字機器和3D打印結合在一起的制造形式。使用大規模的功率加工和質量要求，控制在生產和加工過程中產生的影響，制造同樣的產品，使用新產品的密度很高，最終將整個安裝到我們生活所需的產品或產品上。

數控和3D打印一體化主要在制造業應用，因為我國在大規模加工中生產的材料和能源消耗，減少加工過程中的材料和能源浪費，非常有效地提高生產和加工效率。

3? 數控機床與3D打印集成制造工藝

3.1 數控機床生產過程分析

傳統制造工藝包括切割和穩定原材料，以制造許多不同的部件。傳統產品生產周期分析（圖2）。

3.2 數控機床與3D打印一體化生產過程分析

3D一體haul設計是綜合技術控制設計，產品的強度各不相同，適合各種組件的要求和處理，以各種不同的形式控制下的機器進行處理，生產和加工強度低。數字控制機器的生產周期分析（圖3）。

從上述處理圖中可以清楚地看出，綜合生產可以避免許多步驟，避免因運輸和再處理所切割的材料而造成的浪費。

3.3 數控機床與3D打印集成制造工藝

數字控制器中的3D打印是將材料處理與現代處理相結合，處理高密度產品部件，通過材料制造低密度產品的組合，具體如圖 4。

從圖4中可以清晰地看到集成制造工藝的加工方式，首先對原材料進行切削方式的加工，使原材料變成預定需要的形狀，這時加工出的產品具有很好的強度。然后把生產產生的碎屑，通過回收的方式注入到金屬粉碎器內加工成粉末。然后用3D打印機對這些粉末進行加工，通過這種方式可以生產出強度較低的產品，最后對產品進行組裝，最終完成產品加工。

4? 數控機床集成制造和三維印刷的發展意義

數控機床和3D打印的集成制造技術，顛覆了傳統的加工方式。多年來，人們的制造方式都是通過減法來完成的，通過電源材料的切削來達到預定的形狀。但是這種傳統技術會造成大量的原材料浪費，并且會污染環境。

隨著科學技術的發展，3D打印技術與數控機床完美的結合。使傳統的減材制造方法與增材制造方法相融合，不僅節約了大量的原材料，而且減少了環境污染，有效提升了制造效率，對制造業的發展，具有重要的推動作用。

5? 結論

通過研究，可以看到集成加工方法可以促進制造業的發展，降低生產成本，采用 “減法”和“加法”的融合不僅節約了原材料的浪費，而且減少了對環境的破壞。

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