淺談3D 打印技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用

于羅欽

（西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049）

時(shí)代的發(fā)展，為我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。我國(guó)經(jīng)濟(jì)處在發(fā)展的關(guān)鍵期，為解決經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的問(wèn)題，需對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)進(jìn)行升級(jí)，融入智能化技術(shù)。3D 打印技術(shù)適應(yīng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的要求，能夠推動(dòng)機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的發(fā)展。智能制造具有良好的發(fā)展前景，適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展要求。

1 3D 打印技術(shù)的原理

數(shù)字模型是3D 打印技術(shù)的重要組成部分。3D 打印技術(shù)使用金屬粉末等材料，在相關(guān)載體上，逐層打印疊加，得出產(chǎn)品三維原型。三維建模和測(cè)量軟件在3D 打印技術(shù)中得到了廣泛運(yùn)用，能夠利用產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)信息，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造。數(shù)字化是3D 打印技術(shù)的重要特點(diǎn)。在生產(chǎn)小型和數(shù)量較少的產(chǎn)品時(shí)，3D 打印技術(shù)能夠加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)間，在最短時(shí)間內(nèi)對(duì)產(chǎn)品完成生產(chǎn)制造，能夠滿足人們的特定需求，完成產(chǎn)品生產(chǎn)。不過(guò)，通常會(huì)受到材料使用的局限，出現(xiàn)產(chǎn)品強(qiáng)度較弱等問(wèn)題。因此，大多用于數(shù)量較少、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等產(chǎn)品的生產(chǎn)制造。

2 3D 打印技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用

2.1 三維測(cè)量與物體重建

3D 打印技術(shù)在人工智能領(lǐng)域占據(jù)著主要地位，屬于人們的視覺(jué)感知范疇。其中融入了多種學(xué)科知識(shí)，如算法、光學(xué)等學(xué)科。3D 傳感技術(shù)主要運(yùn)用于新型人機(jī)交互領(lǐng)域，在感知識(shí)別領(lǐng)域中也獲得廣泛運(yùn)用。飛行時(shí)間、結(jié)構(gòu)光是3D 傳感技術(shù)主要運(yùn)用的方案。3D 傳感技術(shù)以物理學(xué)中光折射原理為依據(jù)，得出景深圖像。充分利用紅外激光等技術(shù)，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的三維輪廓進(jìn)行掃描。對(duì)于三維測(cè)量來(lái)說(shuō)，需要借助衍射光學(xué)元件、圖像傳感器等，結(jié)合各種類型的算法，完成三維測(cè)量步驟。當(dāng)前3D 傳感攝像頭已經(jīng)運(yùn)用到三維掃描儀中，人們實(shí)行掃描功能時(shí)，可以將物體拿在手中直接進(jìn)行掃描，并且掃描精度能夠得到一定的保證。另外，3D 打印技術(shù)在物體重建方面已經(jīng)獲得較大發(fā)展。三維測(cè)量充分運(yùn)用3D 傳感技術(shù)，物體重建充分發(fā)揮3D 打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，兩者進(jìn)行有效結(jié)合，能夠讓3D 產(chǎn)業(yè)更加健全。制造業(yè)的未來(lái)發(fā)展中，智能制造會(huì)占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。中國(guó)屬于制造業(yè)第一大國(guó)，3D 產(chǎn)業(yè)中的技術(shù)是制造業(yè)發(fā)展中最為需要的。3D 打印技術(shù)與傳感技術(shù)能夠提升制造工業(yè)的自動(dòng)化水平，與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合，加快制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)步伐，進(jìn)而在市場(chǎng)中獲得更多的競(jìng)爭(zhēng)力，提升國(guó)家綜合實(shí)力。

2.2 機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、模具制作等行業(yè)都廣泛運(yùn)用了3D打印技術(shù)。3D 打印技術(shù)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造有著重要作用，能夠促使產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，加快新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度，適應(yīng)未來(lái)社會(huì)的發(fā)展趨勢(shì)。在機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，能夠縮短產(chǎn)品的生命周期，從而發(fā)揮集成系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，提升集成系統(tǒng)數(shù)字化水平。集成系統(tǒng)可貫穿產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的全過(guò)程，包括設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)等環(huán)節(jié)。并幫助產(chǎn)品進(jìn)行三維建模，充分利用虛擬技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行裝配及制造。3D 打印技術(shù)可以在較短時(shí)間內(nèi)完成產(chǎn)品的成型過(guò)程，避免浪費(fèi)較多的成本，開(kāi)發(fā)時(shí)間比較短，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，有著諸多的優(yōu)勢(shì)。機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造中，多數(shù)企業(yè)會(huì)使用3D打印技術(shù)減少產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間，提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，加快產(chǎn)品的設(shè)計(jì)速度。航空航天領(lǐng)域也較多使用數(shù)字化技術(shù)，在對(duì)飛機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造中，利用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，能夠提升制造飛機(jī)的效率，降低研發(fā)成本。對(duì)飛機(jī)進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)前，需要先制作模型，利用3D打印技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行制造，可以縮短制作飛機(jī)模型的時(shí)間，加快模型制造的速度。3D 打印技術(shù)還可以用于汽車制造領(lǐng)域，如用于汽車造型、汽車模型等的制作。3D 打印技術(shù)能夠加快汽車模型研發(fā)的步伐，在汽車產(chǎn)品研發(fā)中有著非常重要的作用。使用3D 打印技術(shù)研發(fā)的產(chǎn)品模型，可以更加直觀地展示產(chǎn)品的形象，提升制作人員的工作效率，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)間，讓企業(yè)研制的產(chǎn)品在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得更多的優(yōu)勢(shì)，從而避免在市場(chǎng)中處于被動(dòng)的地位。3D 打印技術(shù)在磨具設(shè)計(jì)與制造中具有不可替代的作用。產(chǎn)品模具對(duì)于產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程十分重要。模具研發(fā)過(guò)程能夠充分融合3D 打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)模具的逆向數(shù)字化研發(fā)。可以分為三個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行。一是對(duì)模具進(jìn)行逆向數(shù)字化研發(fā)，二是運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，三是對(duì)模具進(jìn)行制造。3D 打印技術(shù)能夠提高模具制造的質(zhì)量，進(jìn)而提升產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 3D 打印技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造中的發(fā)展

在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中，3D 打印技術(shù)占據(jù)著非常重要的地位。數(shù)字化設(shè)計(jì)是產(chǎn)品研發(fā)中的重要組成部分。多數(shù)企業(yè)對(duì)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)更加青睞。數(shù)字化技術(shù)涉及設(shè)計(jì)模型、工藝描述、管理等信息。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造中，充分發(fā)揮三維數(shù)字化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，能夠以產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行制造，縮短了傳統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)的流程。在傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，需經(jīng)歷多個(gè)步驟，研發(fā)流程容易出現(xiàn)斷裂問(wèn)題。實(shí)施三維數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造，需要運(yùn)用檢測(cè)技術(shù)、數(shù)模的產(chǎn)品定義等內(nèi)容。在產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，三維技術(shù)具有重要作用。智能制造技術(shù)在制造業(yè)發(fā)展前景中會(huì)得到廣泛應(yīng)用，是企業(yè)應(yīng)該重點(diǎn)攻克的難點(diǎn)。目前，經(jīng)濟(jì)發(fā)展注重穩(wěn)中求進(jìn)。需要提升經(jīng)濟(jì)發(fā)展的質(zhì)量水平，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，以供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革為主線，提高企業(yè)產(chǎn)品制造的質(zhì)量，進(jìn)而提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著3D 打印技術(shù)的不斷發(fā)展，政府要建立全面的管理監(jiān)督體系。針對(duì)智能制造領(lǐng)域，制作專門的規(guī)定。加大對(duì)產(chǎn)品科研的投入，支持相關(guān)研發(fā)機(jī)構(gòu)將更多的資源投入智能設(shè)備的研發(fā)中，提升3D 打印設(shè)備的智能化水平，促使3D 打印技術(shù)成為創(chuàng)新的核心技術(shù)，進(jìn)而研發(fā)出更多的高智能產(chǎn)品。需要健全3D 產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系，制定相關(guān)行業(yè)規(guī)范，完善知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)等方面的法律，提升技術(shù)評(píng)價(jià)的科學(xué)性，增強(qiáng)檢測(cè)認(rèn)證的權(quán)威性。充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，創(chuàng)建3D 產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，促進(jìn)3D 產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

在機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，3D 打印技術(shù)受到更多的重視。將3D 打印技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造中，能夠提升產(chǎn)品的智能化水平，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念注入新的活力，減少設(shè)計(jì)資金的投入，在較短時(shí)間內(nèi)完成機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)工作?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展為3D 打印技術(shù)的發(fā)展提供了動(dòng)力。如今制造行業(yè)面臨著轉(zhuǎn)型升級(jí)的問(wèn)題，3D 打印技術(shù)能夠?yàn)槠渖?jí)提供助力，提升行業(yè)整體水平。未來(lái)的時(shí)代具有科技性的特點(diǎn)，技術(shù)變得越來(lái)越重要，需要不斷對(duì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，提升智能制造的質(zhì)量水平，加快制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的步伐，從而更加適應(yīng)未來(lái)社會(huì)的發(fā)展需要。