3D 打印技術在機械制造中的應用探究

卞晨

（安徽省春谷3D 打印智能裝備產業技術研究院有限公司，安徽 蕪湖 241200）

社會經濟新常態背景下，機械制造已經進入成熟期，整體需求趨于飽和，市場處于供大于求的狀態。此種情況下，企業方面依舊保持傳統的生產模式，規模化生產，勢必會造成產能過剩，而產能過剩會拖累企業，導致企業現金流日漸減少，無法應對當前全球經濟下行狀況，致使企業發展狀況不佳。3D 打印技術為企業提供了良好的思路，精準引用該項技術，創新機械制造工作模式，解決企業產能過剩問題，也促使企業所生產的產品向精品化、定制化、個性化轉變，更好地滿足客戶需求，帶動企業以及整個機械制造行業的良好發展。

1 3D 打印技術的概述

3D 打印技術又被稱為增材制造技術，它是一種迅速成型的技術手段。在具體應用的過程中，以計算機技術為基礎，創建3D 數字模型，之后將3D 實體模型切割成多個平面圖，利用粉狀且不可黏合的原料進行逐層打印。簡單來講，3D 打印技術就是將不同材料打印成薄層，之后逐層積累，形成三維立體物品。隨著科學技術的蓬勃發展，近年來，3D 打印技術種類較多，并且不同種類的3D 打印技術的應用優勢不盡相同，能夠滿足不同機械制造需求，大大提高機械制造水平。比如，熔融沉積成型技術，即為FDM 加工工藝；選擇性激光燒結技術，即為SLS 加工工藝；立體光固化技術，即為SLA 加工工藝等等。但無論何種3D 打印技術的應用，都是從創建數字模型開始的，相關工作人員可以利用專業的應用軟件進行數字模型創建，抑或掃描成型，也就是逆求工程。

3D 打印技術應用的關鍵是離散變量和堆積構思，也就是先利用CAD 系統進行數字模型創建，可利用UG、SolidWorks 等；之后對數字模型予以切片，也就是將數字模型求微積分獲得每個輪廓面的形態，之后將數字模型導出來，3D 打印機能夠識別電子器件格式文件；再對零部件進行逐級打印，也就是進行積分，如此即可實現從模擬到現實的轉換。

增材技術就是運用可黏合材料，比如，粉末金屬、塑料等，基于離散累加的原理，通過層層疊加的技術，將特定的三維坐標下的模型切片生成真實物體。該項技術之所以具有較高應用價值，主要是多學科理論及技術的支持，比如，數學建模、數學分析方法、圖像處理與仿真技術、機電技術等等。總結性分析以往3D 打印技術尤其是在機械制造行業中應用較廣的SLS 技術的操作實際情況，雖然其優勢明顯，但同時其局限性也比較明顯，也就是在對金屬粉末材料進行成型處理的過程中，容易出現材料堆疊控制問題，造成此問題產生的根本原因是在堆疊的過程中金屬材料容易發生氧化反應，易形成裂紋、氣孔等缺陷，導致實物的質量降低、性能下降；堆積層厚度也不易掌握，可能出現堆積層過厚的情況，導致實物表面不夠光滑，精度降低，難以滿足緊密零件制造要求。為此，研究分析激光器功率、掃描方式等工藝參數對金屬3D 打印的質量的影響，開發適用于激光燒結的高質量專用金屬材料，以提高打印件質量和精度，已成為增材制造技術的研究熱點。

2 3D 打印技術在機械制造領域的應用優勢

2.1 改善機械制造產能過剩情況

對近年來，我國機械制造領域發展的實際情況予以了解，其已經進入成熟期，市場上產品需求趨于飽和，而部分企業并沒有準確把握市場供需關系，加之傳統加工工藝應用下產品生產周期較長，為了滿足實際供應，企業方面往往會擴大生產，進而出現供大于求的局面，致使企業方面存在產能過剩的問題，資金流難以回籠，無法拓展新業務或者應對突發狀況，導致企業發展存在一定的不確定性，發展局勢不佳。而將3D 打印技術應用于機械制造中，用以部分代替傳統加工工藝，可縮短產品生產周期。此種情況下，企業方面可在接收到客戶訂單的情況下，根據客戶的實際需求，利用3D 打印設備進行個性化產品生產加工，如此不僅可以滿足客戶的需求，還可以顯著改善機械制造產能過剩的局面，促使企業輕庫存，擁有較多的資金流，合理分配和應用資金，創造更大的價值，為本企業創造發展機遇，促進本企業持續且良好地發展。

2.2 節約機械制造空間，降本增效

回顧分析以往機械制造過程，要想完成高質量的產品生產，需要配備大型的機械設備，并且運用專用型磨具，這就需要制造企業創設較大的生產場地，創造較大的生產空間，方便加工工藝操作可以順利展開，這也自然而然地提高了產品生產成本，壓縮了產品的利潤空間，難以實現利潤最大化的目標。而將3D 打印技術應用于機械制造中，可以改變以往生產加工局面，所安裝應用的3D 打印設備體積較小，對生產空間要求較低；又因為在3D 打印技術的支持下，企業易在產品設計階段評估設計方案是否可行，及時發現設計方案存在的缺陷或不足，予以優化調整，進而按照可行的、有效的設計方案進行產品加工生產，保障產品質量、功能等方面均符合相關規范要求，具有較高的應用效率，避免返工處理，如此即可降低生產成本，即降本增效。

2.3 提高機械制造整體水平

回顧分析以往機械制造實際情況，常用的機械加工方法為車削加工和銑削加工等，加工工藝比較煩瑣，需要消耗較長時間。而3D 打印技術應用于機械制造領域中，可彌補傳統加工工藝的不足，利用計算機建模技術進行高難度設計建模，之后進行生產加工，可大大縮短產品生產周期，甚至幾個小時內即可完成，如此大大提高了機械制造的工作效率。

3 3D 打印技術對機械制造領域的影響

無論是從理論還是從實踐的角度來講，3D 打印技術具有較高的應用價值，將其科學合理地應用于機械制造領域，可發揮積極影響，進一步提高機械制造水平，促進該領域發展朝著現代化方向邁進。具體而言，3D 打印技術對機械制造領域的影響表現在以下幾方面。

3.1 優化調整機械制造領域的格局

我國進入新的歷史時期，國際國內局勢嚴峻、市場環境波動較大、社會環境復雜多變，這均給機械制造領域帶來較大沖擊和影響，比如，規模化、統一化產品需求縮減，個性化產品需求加大。此種情況下，制造企業依舊應用傳統加工工藝，展開規模化的產品生產，產品銷售量銳減，企業產能過剩，會拖累企業，一旦市場局勢變化或政策調整等情況發生，那么企業難以應對突發情況，其未來發展堪憂。而將3D 打印技術應用于機械制造中，既可以支持產品試樣驗證，也能滿足客戶個性化需求，促使企業始終保持良好的運行狀態，進而帶動整個機械制造行業進步，有利于實現持續、健康發展目標。所以，從這方面來講，高度重視并且積極引用3D打印技術，可促進機械制造領域的格局優化調整。

3.2 推動機械制造領域創新

無論是對于一個國家還是對于一個行業、一個企業而言，“創新”永遠是原動力。而據不完全統計，機械制造領域長期保持某一發展局面，并沒有更進一步的發展，這不僅不利于行業可持續發展，還會難以有效支持國民經濟發展。經進一步分析，造成機械制造領域停滯不前的根本原因是創新不足，也就是企業方面技術創新不足或者技術應用狀況不佳。隨著我國科學技術的蓬勃發展，將3D 打印技術引入機械制造領域，可部分代替傳統加工工藝，促進機械制造創新，一方面，可以解決以往機械制造存在的難題；另一方面，能夠改變整個領域局面，助力機械制造企業及整個領域持續健康的發展。

3.3 提高機械制造智能化水平

科學技術蓬勃發展的背景下，我國社會發展方向悄然發生變化，逐漸朝著現代化、智能化的方向邁進。這就使得機械制造領域遭受較大的沖擊和影響。將3D 打印技術應用于機械制造工作中，可充分利用計算機各類智能軟件程序以對機械產品進行數字化設計及定型打印，實現智能化生產。機械制造行業因3D 打印技術的支持，勢必實現智能化制造生產的轉型升級，更科學高效地生產符合人們需求的機械產品。

4 3D 打印技術在機械制造中的應用

4.1 3D 打印技術與數控技術的結合

總結性分析3D 打印技術實際應用情況，其對技術人員的專業水平要求較高，對設備使用性能要求不是很高。為了提高3D 打印技術的應用效果，還應當與數控技術相結合。數控技術是一種材料還原技術，將該項技術應用于產品生產中，在最終產品成型后對其進行不斷還原，提高其整體品質。產品生產制造中，增材技術與減材技術融合應用，可為批量生產產品提供標準的原始數據，既可以優化產品生產方案，又可以提高生產效率。

4.2 創新行業布局方面的應用

對以往機械制造中傳統加工工藝應用實際情況予以了解和分析，不難發現，基本要素較多，并且每個基本要素都會影響機械制造工作，需要綜合把控各個要素，才能夠進一步提高機械制造的整體水準。但事實上很難做到這一點，主要是存在諸多限制條件，比如，提供的生產資金有限等。為了改變此種局面，應當將3D 打印技術應用于創新行業布局中，也就是順應時代發展潮流，分析機械制造領域發展的新趨勢，結合企業的資源，對機械設備制造工作予以創新布局，就需要深入了解企業內部實際情況，包括人力資源、部門設置情況、人力資源配備情況及業務推進情況等，綜合考慮，優化調整，提高企業內部控制的整體水平，可以科學合理地配置和利用資源，支持機械設備制造工作創新。為了促使3D打印技術可以深度融合在機械設備制造工作創新中，應當堅持與時俱進的技術理念，科學合理制定工作流程，以便充分發揮3D 打印的技術優勢，提高產品的生產效率，保證所生產的產品滿足客戶需求，逐步擴大市場占有率，創造更高的經濟效益。

4.3 汽車領域中的應用

3D 打印技術應用于汽車領域中，對于汽車產品生產制造有積極的促進作用，可以進一步提高汽車的產品質量。當然，要想保障3D 打印技術的作用充分發揮，需要相關工作人員明確3D 打印技術應用流程，規范合理地展開汽車產品制造。具體做法如下。

（1）智能化建模。通常情況下，汽車領域生產制造包括實體線建模和斜面建模。前者更適用于標準外形的零部件生產，后者更適合結構復雜的內部結構件生產。為了保障建模標準，應使用的是Pro/E、SolidWorks、UG 等繪圖工具，對具體需要3D 打印的汽車零部件如某型號規格的輪轂開展3D 造型設計制作，及三維設計效果圖渲染，導出為Stl 文件格式。（2）切片解決。通過切片軟件對數字模型按照某※一軸方向進行離散處理，獲得二維平面數據，利用3D打印機來打印每一層。這一過程中，需要科學合理地設置層厚、激光功率、掃描速度等參數，提高數據分層的品質，也即對STL 模型進行擬合切片。

（3）產品打印。打印成型是最為關鍵的環節，為避免出現錯誤，應當選擇適合的成型技術及配套設備，根據金屬3D 打印機的配置，合理調節機器打印工藝參數，進而對鋁合金型材予以3D 打印。

5 結語

綜上所述，新時代背景下，機械制造中傳統機械加工工藝的弊端逐漸暴露出來，難以滿足當前及未來越來越定制化、個性化的生產需求。此種情況下，為了提高產品生產水平，滿足市場需求，也為了促進機械制造領域持續健康的發展，應利用3D 打印技術部分代替傳統機械加工工藝，準確把握其應用原理，明確其工作流程，將其有效地應用于創新行業布局中、汽車領域以及與數控技術結合應用領域等，可創造更大的價值。所以，無論是從理論還是從實踐的角度來講，新時代背景下，機械制造領域中高度重視并且有效應用3D 打印技術都是非常有意義的。