3D打印技術在機械設計制造領域中的應用

沈曉偉

摘? 要：隨著社會經濟以及科技的發展，3D打印技術也逐漸被人們應用到制造業中，并表現出了極大的經濟價值，以3D打印為代表的高端制造業的增加值不斷上升。3D打印技術的出現，也不斷促進了我國機械制造領域的發展。3D打印技術將電器、計算機以及光學等先進技術融為一體，也因為成影速度快且材料的利用率較高的特點，在機械制造業得到了廣泛利用和研究。該文將對3D打印技術在機械設計制造領域當中的應用進行研究。

關鍵詞：3D打印技術;機械設計;制造領域

中圖分類號：TH164? ? ? ? ?文獻標志碼：A

0 引言

目前，隨著我國經濟的發展，機械制造業也在不斷進步，有很多企業都應用了3D打印技術，但是這項技術在我國機械制造領域當中被應用的時間并不長，而且在此期間，還出現了很多問題，甚至還限制了我國機械制造業的發展。所以，機械制造行業應當從源頭發現這些問題，這樣才能使3D打印技術發揮出自身最大的作用，從而推動我國機械設計制造領域的發展[1]。

1 3D打印技術的特點及原理

1.1 3D打印技術的特點

3D打印機之所以被稱為“3D”，是因為3D打印機的打印成果并不局限于文本，而是能將計算機內所繪制的虛擬三維圖形轉變成具體的事物，所以3D打印技術是一項增材制造并快速成型的高科技技術。3D打印機不僅可以隨時進行生產，特別是在打印的零件非常小的情況下，能夠避免由于生產線啟動煩鎖而造成的成本浪費，而且3D打印技術的原理也決定了，在產品的制造過程中，是無法受到產品結構制約的，3D打印機可以制造出結構非常復雜的實體物品。這樣看來，3D打印技術和傳統的制造方法相比，不僅減少了材料的浪費，還降低了加工的成本[2]。

1.2 3D技術打印的原理

3D技術打印原理，主要分為3個步驟。1）需要在計算機內設計出需要打印產品的三維電子模型的形狀和尺寸等。2）將3D打印機和計算機進行連接，3D打印機就會對已經建立好的三維圖形數據信息進行分割。3） 將已經分割好的平面信息由3D打印機自動按照打印路線進行逐層打印，最后成型。

2 3D打印技術的優勢

在建造產品的過程中，3D打印技術能夠使得工廠在制造產品時，減少材料浪費，增加機械制造企業的經濟效益。另外，3D打印技術還存在著很大的設計空間，所以機械制造行業能夠對這些技術不斷地進行創新，3D打印技術對空間的要求也比較小，所以這項技術能夠適應當前制造行業的各類環境。機械制造行業如果能夠普遍采取3D打印技術，那么就能夠通過這項技術來完成對批量制造零件的復制，不僅提高了工廠的制造效率，還減少了企業對人力物力的使用，3D技術還能處理產品制造過程中出現的治療缺陷問題，確保了產品的質量[3] ，為企業謀得了更多的經濟效益。

3 3D打印技術的發展前景

3.1 材料的多樣化

圖1為2018年度3D打印材料價值量占比統計情況示意圖。就當前的統計來看，使用3D技術的制造業的所占份額還是少數的，其中最重要的一個原因就是受到打印材料的限制，3D打印材料從類型上具體可以分為金屬耗材、塑料耗材。目前金屬材料在3D打印技術行業中正在快速的擴張著，但是由于受到材料性能的限制，所以其主要用于模具的生產當中，但是金屬3D打印除了可以兼具無模化的定制優勢以外，其打印效果和打印質量與傳統的工藝相比也有著明顯提升，因此3D打印技術具有更大的潛能。

3.2 技術的創新和應用范圍

材料的多樣化能夠推進3D打印技術的創新和發展，尤其是在產品的精度、產品的打印速度、產品種類以及3D打印機的智能化上。當前中國3D打印技術和國外相比，仍然存在著很大差距，由于3D打印機的技術研發水平不高，且市場應用不太廣泛、市場的銜接度較低，因此并不能產生比較大的經濟效益，圖2為2013年～2017年度3D打印技術專利的申請數量統計示意圖。結合圖2數據可知，截止至2017年為止，我國3D打印技術專利的申請數量為9 809個。

在當前的建筑和醫學領域中，3D打印技術的應用還存在很大的局限性，甚至還有一些行業并未涉足此項技術的應用，隨著社會科學技術的發展，3D打印技術也會因為技術的改進和創新，普遍的應用到各個領域當中，使其發揮更大的作用，現階段有關3D打印行業應用領域的結構分布情況如圖3所示。

3.3 價格的控制

雖然3D打印節省了材料降低了加工成本，但是和傳統的方式相比較，現階段的3D打印機中，功能比較齊全且精度要求高的打印機，就本身的價格來說，對于一些規模非常小的企業來說還是比較昂貴的。隨著技術的發展和材料的不斷完善，3D打印機本身的制作成本也會降低很多，設備的價格也不再會是問題。

4? 3D打印技術對機械設計制造業的影響

4.1 推動機械制造業的創新和發展

3D打印技術能夠快速地將概念產品轉化成現實的產品，在這一過程中，還能對設計的產品進行修改和調整，從本質上改變傳統的產品生產方式，推動了集中式生產的轉變，激發了機械制造業的創新能力。3D打印技術可以激發設計人員的創新意識，提高了產品更新的速度，縮短了產品的設計周期和設計成本，提升了機械制造企業的經濟效益。

4.2 緩解機械制造業產能過剩的問題

產能過剩是我國當前傳統機械制造業中存在的普遍問題，由于產品的同質化非常嚴重，而且質量未達到出口標準，國內一時又無法消化，不僅浪費了大量的資源，也影響了企業的資金流動。就目前的形式來看，機械制造技術如果可以迎合大眾的需求，利用3D打印技術實現定制化生產，根據客戶的需求進行生產，不僅生產周期短，而且效率還特別高。3D打印技術為機械產品的設計提供了便捷性，環保效益還特別顯著，有效地緩解了機械制造產業產能過剩的問題。

5 3D打印技術在機械設計制造過程中的應用

5.1 加快機械產品的開發速度

產品質量在企業機械制造過程中極其重要，傳統的生產技術在對零件進行加工時，耗費了企業大量的人力及物力。就算是這樣，生產出來的零件在質量上也很有可能會出現問題。另外，企業通過傳統方式制造出的零件，在進入市場售賣前，是需要進行質量檢測的，如果產品出現了質量上的缺陷，那么就會被報廢，企業也會受到嚴重的經濟損失，這也使得我國的機械制造領域的發展變得緩慢。因此，相關部門應當加大對3D打印技術的開發力度，促進我國企業的生產效率和產品質量的提高，推動我國機械制造行業的發展。

5.2 轉變了傳統的設計理念

機械制造行業能夠利用3D打印技術制造產品，這樣不僅能夠保證產品的質量問題，而且還減少了企業在人力資源上的資金投入。另外在產品制造過程中使用3D打印技術，可以使加工的過程得到一定程度的簡化，有效提升了企業的經濟效益。由于部分特殊零件的制作要求非常高，并且種類也較為復雜，不能大批量的生產，所以導致傳統的生產效率大幅度下降，如果采用3D打印技術對這些零件進行制造的話，不僅能夠使加工過程變得簡易化，還能使效率得到提高，產品的質量也能夠得到有效保證。

6 結語

為了使生產出來的零件能夠符合消費者對小部件的各方面要求，我們應當對機械制造行業的打印質量不斷地進行完善和提高，促進我國3D打印技術的發展，使其在機械制造領域能夠發揮最大的作用。

參考文獻

[1]郭小燕.3D打印技術在機械制造中的應用探討[J].南方農機，2020，51（6）：199.

[2]戴巖.3D打印技術在機械制造中的應用研究[J].信息記錄材料，2019，20（10）：111-112.

[3]徐春榮.在機械制造領域中3D打印技術的應用探析[J].電子元器件與信息技術，2019，3（9）：82-84.