3D 打印技術(shù)在礦山機(jī)械制造中的應(yīng)用

李 薇

(南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，四川 南充 637131)

為轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，推動(dòng)我國(guó)制造業(yè)發(fā)展，2015年5月8日，國(guó)務(wù)院印發(fā)《中國(guó)制造2025》行動(dòng)綱領(lǐng)，旨在通過(guò)工業(yè)化和信息化深度融合，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造轉(zhuǎn)型，將“增材制造”（又稱(chēng)“3D打印”）列為制造業(yè)創(chuàng)新中心重點(diǎn)建設(shè)工程[1]。

工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、財(cái)政部聯(lián)合印發(fā)了《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015-2016年）》，明確部署了增材制造在專(zhuān)用材料、工藝技術(shù)、制造裝備、核心器件等方面的發(fā)展戰(zhàn)略，促進(jìn)了增材制造（3D打?。┘夹g(shù)的快速發(fā)展[2，3]。

1 3D打印技術(shù)的原理及特點(diǎn)

3D打印技術(shù)又稱(chēng)增材制造技術(shù)，以金屬粉末或塑料粉末為材料，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）或計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)建模軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行建模，再將三維模型從縱坐標(biāo)方向進(jìn)行剖切形成有限多的平面，通過(guò)逐層打印疊加的方式來(lái)得到3D實(shí)體，融合了CAD和計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)建模，數(shù)控、測(cè)量、激光等眾多學(xué)科。

3D打印技術(shù)主要有以下特點(diǎn)：第一，數(shù)字制造，利用建模軟件和測(cè)量軟件將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)化，并利用數(shù)字文件充當(dāng)制造模具，接受計(jì)算機(jī)傳輸指令，利用3D打印設(shè)備對(duì)器件進(jìn)行加工制造；第二，降維制造，打印過(guò)程中對(duì)物體進(jìn)行降維，把三維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎S，然后把二維的物體結(jié)構(gòu)逐層疊加，最終得到立體結(jié)構(gòu)。由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)柔性化制造；第三，直接制造，可不用考慮機(jī)床和夾具的設(shè)計(jì)，直接打印礦山機(jī)械設(shè)計(jì)里不能實(shí)現(xiàn)裝配的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，減少了組裝、拼接的過(guò)程，保證了產(chǎn)品的精度和靈敏性。

2 3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和缺陷

2.1 優(yōu)勢(shì)

第一，智能化，3D打印技術(shù)以數(shù)字文件為模具，以新型粉末為材料，以3D打印設(shè)備為制造工具，用計(jì)算機(jī)傳輸指令，直接加工各種產(chǎn)品，是具有代表性數(shù)字制造技術(shù)，對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行智能化控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器換人。第二，定制化，由一臺(tái)3D打印設(shè)備代替大部分零件生產(chǎn)設(shè)備機(jī)器，完成所有制造工序和零部件的生產(chǎn)，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期，替代規(guī)模制造和復(fù)雜的生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化生產(chǎn)。第三，生態(tài)化，傳統(tǒng)的礦山機(jī)械加工多采用不可再生的金屬材料，冶金過(guò)程產(chǎn)生較多廢水、廢氣、廢渣，采用車(chē)、銑、刨、磨等減材制造工藝，材料耗損量大。

2.2 缺陷

第一，強(qiáng)度不足，3D打印的部件是層層堆疊起來(lái)的，致密性較低，與傳統(tǒng)切削加工相比，強(qiáng)度、硬度、抗剪性都較差。第二，材料限制，3D打印使用的材料單一，并且單一產(chǎn)品只能一次成型，不能疊加。如果產(chǎn)品材料不同，則需要分開(kāi)打印然后再組裝加工，因此僅適用于造型復(fù)雜、小批量、高精度零部件的生產(chǎn)制造。

3 3D打印技術(shù)在礦山機(jī)械制造中的應(yīng)用

3.1 提升礦山機(jī)械制造智能化程度

我國(guó)制造業(yè)大而不強(qiáng)，長(zhǎng)期依賴(lài)廉價(jià)勞動(dòng)力，資源消耗量大。

隨著人口紅利降低，環(huán)境問(wèn)題日益突出，為提升我國(guó)制造業(yè)整體水平，國(guó)家提出“中國(guó)制造2025”總體戰(zhàn)略，推動(dòng)勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)型。

3D打印增材制造的特點(diǎn)，省去了礦山機(jī)械加工、熱處理、焊接等工藝過(guò)程，減少了對(duì)流水線上體力勞動(dòng)者的需求，實(shí)現(xiàn)機(jī)器換人。

3.2 節(jié)約礦山機(jī)械制造成本

利用傳統(tǒng)制造工藝進(jìn)行產(chǎn)品加工，需要首先根據(jù)產(chǎn)品原型進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，在礦山機(jī)械制造軟件中構(gòu)建模型，并利用數(shù)控加工制作模具，最后根據(jù)模具加工與原型一樣的產(chǎn)品。

一個(gè)復(fù)雜零部件的生產(chǎn)，需要許多不同機(jī)床共同完成，固定資產(chǎn)投入大，最終的成品還有可能成為廢品，制造成本較高。

3D打印技術(shù)使用一臺(tái)3D打印機(jī)就可以制造出各種各樣的復(fù)雜零件，替代復(fù)雜的生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)柔性化制造。同時(shí)智能控制產(chǎn)品質(zhì)量，減少?gòu)U品率，能有效提高生產(chǎn)效率，節(jié)約制造成本。

3.3 更新礦山機(jī)械設(shè)計(jì)理念

傳統(tǒng)的礦山機(jī)械設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，一個(gè)產(chǎn)品從構(gòu)思到設(shè)計(jì)出模具需要較長(zhǎng)的時(shí)間。從模具到加工為成品需要較長(zhǎng)的生產(chǎn)線，多種設(shè)備一起運(yùn)作，加工出數(shù)量眾多的小零件，生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜。

對(duì)技術(shù)人員操作水平要求較高，整個(gè)礦山機(jī)械產(chǎn)品的功能實(shí)現(xiàn)受零部件的精度和穩(wěn)定性影響較大。

3.4 3D打印技術(shù)在礦山機(jī)械制造中的發(fā)展

為推進(jìn)3D打印技術(shù)在礦山機(jī)械制造中的發(fā)展，政府要加強(qiáng)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)和監(jiān)督管理，加快知識(shí)產(chǎn)權(quán)、3D打印危險(xiǎn)器具等方面的立法。

建立完善的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系，制定3D打印制造工藝、裝備、材料、數(shù)據(jù)接口等行業(yè)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，建立技術(shù)評(píng)價(jià)和檢測(cè)認(rèn)證體系，使工藝和產(chǎn)品規(guī)范化，淘汰落后產(chǎn)能。加大財(cái)稅支持力度，支持企業(yè)研發(fā)3D打印需要的金屬、非金屬、有機(jī)高分子、生物等增材制造材料，提高材料的強(qiáng)度、耐高溫等使用性能。

4 結(jié)語(yǔ)

3D打印技術(shù)以數(shù)字文件為模具，以新型粉末為材料，以3D打印設(shè)備為制造工具，用計(jì)算機(jī)傳輸指令，替代規(guī)模制造和復(fù)雜的生產(chǎn)線，直接加工各種產(chǎn)品，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期，同時(shí)提高材料利用率，實(shí)現(xiàn)綠色制造。3D打印技術(shù)的應(yīng)用能顯著提升礦山機(jī)械制造的智能化程度，節(jié)約設(shè)計(jì)成本，更新設(shè)計(jì)理念，但其存在材料強(qiáng)度不足、選材單一、知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議等方面的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1]國(guó)務(wù)院.關(guān)于印發(fā)《中國(guó)制造2025》的通知[Z].國(guó)發(fā)[2015]28號(hào),2015-05-08.

[2]工信部,發(fā)改委,財(cái)政部.國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015-2016年）[Z].工信部聯(lián)裝[2015]53號(hào),2015-2-11.

[3]扈恩同.3D打印技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用研究[J].世界有色金屬,2018(1)：42-43.