數(shù)控機(jī)床與打印的一體化制造研究

牛璞

摘要：數(shù)控機(jī)床的技術(shù)損失和非技術(shù)損失非常嚴(yán)重。通過(guò)3D打印技術(shù)與數(shù)控機(jī)床完美的結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，可以有效減少加工過(guò)程的損失，提高生產(chǎn)效率，對(duì)于加快先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)信息化和工業(yè)化的深度融合，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要作用。

Abstract： The technical and non-technical losses of nc machine tools are very serious. The perfect combination of 3D printing technology and CNC machine tools can effectively reduce the loss of processing， improve production efficiency， and play an important role in accelerating the development of advanced manufacturing industry， promoting the deep integration of informatization and industrialization， and promoting industrial transformation and upgrading.

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床;3D 打印;一體化

0? 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和制造業(yè)的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，但是當(dāng)數(shù)控機(jī)床投入到實(shí)際生產(chǎn)中以后，暴露出了一系列的問(wèn)題。它會(huì)在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的碎屑垃圾，其中包括氣體垃圾和液體垃圾。這就是說(shuō)數(shù)控機(jī)床在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)對(duì)環(huán)境造成很大的污染，時(shí)至今日，我們還沒(méi)有找到一種能夠切實(shí)解決這個(gè)問(wèn)題的辦法。

3D打印技術(shù)在國(guó)外得到了普遍應(yīng)用，并且這種技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，到了今天，這種技術(shù)已經(jīng)日漸成熟?，F(xiàn)在國(guó)外的很多工廠都已經(jīng)能夠熟練地運(yùn)用這種技術(shù)。他們可以通過(guò)逐層添加金屬粉末的方式進(jìn)行生產(chǎn)。由3D打印技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的汽車(chē)、飛機(jī)等交通工具已經(jīng)投入了使用。這就為我們發(fā)展大型機(jī)械投入到我們的制造業(yè)中，提供了全新的思路。但是單單依靠3D打印技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，仍然存在強(qiáng)度較低的問(wèn)題。所以我們把3D技術(shù)與數(shù)控機(jī)床有效結(jié)合在一起，通過(guò)這種方式把數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生的廢屑直接加注到3D打印機(jī)中，通過(guò)加工以后，用于制造強(qiáng)度要求較低的部件。這樣不僅提升了生產(chǎn)效率，而且做到了對(duì)廢屑的再次利用，節(jié)省了成本，并且減少了生產(chǎn)過(guò)程中造成的污染問(wèn)題。

1? 數(shù)控機(jī)床與3D打印的介紹

1.1 數(shù)控機(jī)床與3D打印

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，到20世紀(jì)中葉的時(shí)候，自動(dòng)化技術(shù)隨著電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的提升而被賦予了新的概念。數(shù)字化信號(hào)被成功運(yùn)用到了機(jī)床加工中，這一技術(shù)的革新，促進(jìn)了機(jī)床自動(dòng)化的發(fā)展，于是產(chǎn)生了數(shù)控機(jī)床這樣一中新型加工設(shè)備。而3D打印技術(shù)基于三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)，運(yùn)用軟件技術(shù)進(jìn)行分層離散，使金屬粉末、塑料等特殊材料通過(guò)激光束把他們堆積粘結(jié)。最后，形成疊加狀態(tài)，最終產(chǎn)生固體產(chǎn)品。

1.2 數(shù)控機(jī)床與3D打印的區(qū)別

數(shù)控機(jī)床在工作中，通常采用切削形式進(jìn)行。通俗地講就是數(shù)控機(jī)床采用的方式是在原材料上經(jīng)過(guò)切削，去除多余的部分，最終讓材料形成要求達(dá)到的形狀。對(duì)于金屬則采用鍛造的方式進(jìn)行加工。

而3D打印技術(shù)則與數(shù)控機(jī)床的工作方式不同，它使用的是添加式生產(chǎn)。3D打印機(jī)在工作的過(guò)程中，軟件系統(tǒng)會(huì)通過(guò)輔助系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行掃描，然后把數(shù)據(jù)傳送到3D打印機(jī)，然后會(huì)根據(jù)這些數(shù)據(jù)，把原材料進(jìn)行堆疊，最終形成產(chǎn)品。

1.3 數(shù)控機(jī)床與3D 打印機(jī)的局限性

在機(jī)床使用過(guò)程中，各種損耗占大多數(shù)。材料利用率低，消耗大量加工時(shí)間。如果材料利用率能提高10%，每年可以節(jié)約10萬(wàn)多噸鋼材。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造為例，零件加工過(guò)程中，材料的利用率只有15%。

3D打印技術(shù)截止到現(xiàn)在還不完善，生產(chǎn)加工存在局限性。如需要高強(qiáng)度的零件不能通過(guò)3D打印進(jìn)行生產(chǎn)，高性能零件需要精確控制的零件也不能打印生產(chǎn)。

2? 3D打印與數(shù)控機(jī)床相結(jié)合的必要性及應(yīng)用

2.1 3D 打印與數(shù)控機(jī)床相結(jié)合的必要性

由于傳統(tǒng)的處理方法消耗了大量的能源和材料，污染了環(huán)境，我們需要找到新的方法來(lái)解決今后的這種短缺問(wèn)題。

減少3D 打印的成本，大幅減少材料浪費(fèi)，消除模板制作等步驟?？s短了產(chǎn)品制造周期，提高了生產(chǎn)效率。3D 打印節(jié)省能源消耗，節(jié)省時(shí)間成本和勞動(dòng)力成本等。

目前，3D打印技術(shù)仍不完善，加工產(chǎn)品受到某些限制，例如，不能3D打印生產(chǎn)高密度金屬件，飛機(jī)引擎中的高性能部件不能制造，在制造過(guò)程中需要精確控制溫度的部件目前不能打印。但是，數(shù)字控制處理方法，通過(guò)去除多余的材料生產(chǎn)的，不改變材料特性，處理部件的密度和質(zhì)量都很高。

通過(guò)討論，我們可以把兩種方法結(jié)合起來(lái)，提高生產(chǎn)效率，減少浪費(fèi)，避免環(huán)境污染。

2.2 數(shù)控機(jī)床和3D打印集成制造應(yīng)用

一體化制造是一種將數(shù)字機(jī)器和3D打印結(jié)合在一起的制造形式。使用大規(guī)模的功率加工和質(zhì)量要求，控制在生產(chǎn)和加工過(guò)程中產(chǎn)生的影響，制造同樣的產(chǎn)品，使用新產(chǎn)品的密度很高，最終將整個(gè)安裝到我們生活所需的產(chǎn)品或產(chǎn)品上。

數(shù)控和3D打印一體化主要在制造業(yè)應(yīng)用，因?yàn)槲覈?guó)在大規(guī)模加工中生產(chǎn)的材料和能源消耗，減少加工過(guò)程中的材料和能源浪費(fèi)，非常有效地提高生產(chǎn)和加工效率。

3? 數(shù)控機(jī)床與3D打印集成制造工藝

3.1 數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)過(guò)程分析

傳統(tǒng)制造工藝包括切割和穩(wěn)定原材料，以制造許多不同的部件。傳統(tǒng)產(chǎn)品生產(chǎn)周期分析（圖2）。

3.2 數(shù)控機(jī)床與3D打印一體化生產(chǎn)過(guò)程分析

3D一體haul設(shè)計(jì)是綜合技術(shù)控制設(shè)計(jì)，產(chǎn)品的強(qiáng)度各不相同，適合各種組件的要求和處理，以各種不同的形式控制下的機(jī)器進(jìn)行處理，生產(chǎn)和加工強(qiáng)度低。數(shù)字控制機(jī)器的生產(chǎn)周期分析（圖3）。

從上述處理圖中可以清楚地看出，綜合生產(chǎn)可以避免許多步驟，避免因運(yùn)輸和再處理所切割的材料而造成的浪費(fèi)。

3.3 數(shù)控機(jī)床與3D打印集成制造工藝

數(shù)字控制器中的3D打印是將材料處理與現(xiàn)代處理相結(jié)合，處理高密度產(chǎn)品部件，通過(guò)材料制造低密度產(chǎn)品的組合，具體如圖 4。

從圖4中可以清晰地看到集成制造工藝的加工方式，首先對(duì)原材料進(jìn)行切削方式的加工，使原材料變成預(yù)定需要的形狀，這時(shí)加工出的產(chǎn)品具有很好的強(qiáng)度。然后把生產(chǎn)產(chǎn)生的碎屑，通過(guò)回收的方式注入到金屬粉碎器內(nèi)加工成粉末。然后用3D打印機(jī)對(duì)這些粉末進(jìn)行加工，通過(guò)這種方式可以生產(chǎn)出強(qiáng)度較低的產(chǎn)品，最后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行組裝，最終完成產(chǎn)品加工。

4? 數(shù)控機(jī)床集成制造和三維印刷的發(fā)展意義

數(shù)控機(jī)床和3D打印的集成制造技術(shù)，顛覆了傳統(tǒng)的加工方式。多年來(lái)，人們的制造方式都是通過(guò)減法來(lái)完成的，通過(guò)電源材料的切削來(lái)達(dá)到預(yù)定的形狀。但是這種傳統(tǒng)技術(shù)會(huì)造成大量的原材料浪費(fèi)，并且會(huì)污染環(huán)境。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)與數(shù)控機(jī)床完美的結(jié)合。使傳統(tǒng)的減材制造方法與增材制造方法相融合，不僅節(jié)約了大量的原材料，而且減少了環(huán)境污染，有效提升了制造效率，對(duì)制造業(yè)的發(fā)展，具有重要的推動(dòng)作用。

5? 結(jié)論

通過(guò)研究，可以看到集成加工方法可以促進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展，降低生產(chǎn)成本，采用 “減法”和“加法”的融合不僅節(jié)約了原材料的浪費(fèi)，而且減少了對(duì)環(huán)境的破壞。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔歆.基于復(fù)合3D打印的嵌入式電子產(chǎn)品一體化制造關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)驗(yàn)研究[D].青島理工大學(xué)，2016.

[2]杜世法.基于理實(shí)一體化的3D打印機(jī)設(shè)計(jì)與制造研究[J]. 職業(yè)，2017（8）.

[3]馬雅坤.機(jī)械制造技術(shù)中數(shù)控技術(shù)應(yīng)用分析及研究[J].價(jià)值工程，2019，38（23）：270-271.