3D打印技術在機械制造中的應用

劉亦文

（西安思源學院，陜西 西安 710038）

引言

3D打印技術是近年來非常熱門的高科技技術，具有一次成型、速度快、產品精度高、打印成本低和可個性化定制等優點。現階段，3D打印技術在我國得到了快速發展，并廣泛應用于軍事、醫療和機械等領域。3D技術與互聯網技術相結合，促進了機械制造技術變革，使機械制造越來越智能化和自動化。因此，對3D技術在機械制造中的應用進行研究，對機械制造業的長遠發展具有非常重要的意義。

1 3D打印技術的介紹

3D打印技術又被稱為增料制造技術，是一種快速成型的技術手段。通過利用計算機技術建立3D數字模型，并將3D模型層層分割成多個平面，然后用粉末狀的可黏合原材料進行逐層打印。簡單來講，3D打印技術就是把不同材質的原料打印成薄層，然后層層累積，最終形成三維立體形態。目前市場上有多種不同的3D打印技術，最為常見的是熔融沉積成型技術，即FDM工藝。此外，還有選擇性激光燒結技術（SLS工藝）和立體光固化技術（SLA工藝）等[1]。

2 3D打印技術在機械制造業中的應用優勢

2.1 緩解機械制造業產能過剩問題

產能過剩是目前機械制造行業比較突出的問題，產能過剩的主要原因是改革開放以來，國家對工業品的投資力度不斷加大，而國內需求大幅度減少，造成制造業出現供大于求的問題。3D打印技術可以實現機械制造個性化和定制化生產，可根據顧客的不同需求進行針對性的生產制造，避免原有的大規模生產模式帶來的浪費問題。

2.2 節省機械制造空間和降低生產成本

傳統機械制造通常要使用大型機械設備及專用模具，因此占地面積比較大，3D打印設備體積都比較小，可以有效減小空間需求。同時，3D打印設備應用于項目前期設計，能夠及時發現設計階段存在的缺陷和不足，并不斷修改和完善，可有效降低生產成本。

2.3 提高制造效率并優化工藝技術

3D技術的另一個重要優勢是能夠有效提升工作效率。在機械領域，一個產品的制作周期往往都很長，而采用3D技術，可以將時間大大縮短，甚至幾個小時內就能完成，產品精度也勝于傳統機械制造，既大幅度提高了生產效率，又保證了產品質量。另外，3D打印技術還可以實現很多傳統機械制造無法實現的設計理念、優化和創新制造工藝，通過使用計算機建模技術，完成高難度的模型設計，并實現生產[2]。

3 3D打印技術在機械制造業中的具體應用

3.1 機械制造產品樣品生產

很多機械生產廠家都會進行產品樣品展示，如果把生產的產品作為樣品進行展示，由于產品體積都比較大，需要足夠大的展示場地，而且不便于運輸和安裝。如果僅展示設計圖紙，則不能直觀地展現產品的樣貌和性能。通過使用計算機技術對機械產品進行建模，然后同比例縮小機械產品的尺寸參數，使用3D打印技術，就可以得到微型的機械產品樣品，可以直觀地展示產品形態，更利于運輸、存放和展示。

3.2 機械產品設計與研發

機械產品的開發設計過程包括模型、工藝以及程序控制方式等方面設計，利用3D技術可以快速實現這些方面的優化。通過使用3D打印技術中的三維數字化技術，依據產品的相關數據可以直接設計出產品的模型，極大地簡化了傳統的產品設計步驟，而且3D打印技術可以實現設計產品的檢測和對數據模型的產品定義等，機械產品的設計與研發過程變得更加智能化和簡便化。同時，3D打印技術可以在設計階段根據客戶的私人定制需求開發創新產品，滿足產品的個性化定制，尤其是在小批量柔性化生產、機械產品結構復雜和具有高附加值的產品定制設計中，3D打印技術具有傳統機械制造所不可比擬的優勢。3D打印技術還可以實現對現有產品的優化，首先對現有物體進行模型構建，并進行調整和優化，再通過3D打印的方式實現了對現有物體的再造、升級，該技術已被廣泛應用于歷史文物的修繕中[3]。

3.3 機械產品的三維測量與物體重建

隨著人工智能技術的發展，3D打印技術融入了智能視覺感知技術，即3D傳感技術。3D傳感技術一般是由多個攝像頭和深度傳感器構成，通過物理學中光折射原理實現對物體的測量，發射端發出特定的結構光照射在被測物體上，光斑被折射回接收端時會有一定的形變，根據物體的距離和形變的大小，可以計算得到物體的結構信息，實現對物體三維輪廓的掃描。還可以用于對一些比較大型的機械設備以及機械設備零件的質量檢測，減少人為測量的誤差，提高質檢的精度。而且根據攝像頭測定的相應參數，就可以重建物體三維場景信息，在計算機上實現對三維場景的處理、操作和分析，這也是3D打印技術中利用計算機建立虛擬現實的關鍵技術手段[4-6。

4 3D打印技術在機械制造中的應用對策與建議

3D打印技術在機械制造中的應用，極大地促進了機械制造技術水平的發展。為了更好地促進3D打印技術應用于機械制造，應該從以下幾方面著手：首先國家應鼓勵高校和相關企業積極進行3D打印技術研發創新，加大3D打印技術研發資金的投入，攻克3D打印速度過慢的難題，使3D打印技術能早日實現制造機械產品規模化。其次政府可以建立3D打印技術示范中心，展示3D打印技術在機械制造過程中的優勢，并聘請相關技術人員為企業引進3D打印技術進行指導，使更多的機械制造企業逐步認可和接受3D打印技術。最后政府要積極鼓勵更多的人才加入到3D打印技術創業中，通過建立創業基地、共享研發設備和提供技術支持等手段，扶持3D打印技術創業者，并利用互聯網技術創建3D產業共享平臺，從多角度保證3D打印技術在機械制造中的應用和可持續發展[7-9]。

5 結語

3D打印技術作為一項重要的科技手段，為機械制造業的發展帶來了巨大的社會價值和經濟效益，并為機械制造業解決了產能過剩和小批量柔性化生產的問題，在產品研發和設計上也有著傳統制造業不可比擬的優勢。在市場競爭日益激烈的情況下，為了更好地提高機械制造業的市場競爭力，國家和有關企業需要加大對3D打印技術的研究力度，實現技術上的突破與創新，為機械制造業注入源源不斷的發展動力，為國家經濟水平的提高作出貢獻。