現(xiàn)代數(shù)字化加工技術(shù)的問題探討與增減材制造能力數(shù)據(jù)分析

劉宏發(fā)，姜淑鳳，高福生，賈瑞超，王俊峰，宋淑芳

（齊齊哈爾大學(xué)，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

加工制造技術(shù)伴隨著人類生產(chǎn)力的發(fā)展到現(xiàn)代，主要經(jīng)歷了等材制造、減材制造、增材制造、智能制造這樣的四個(gè)主要技術(shù)發(fā)展歷程。

1 減材制造

1.1 概念簡(jiǎn)述

減材制造是相對(duì)于增材制造而創(chuàng)造的一種叫法。從最初的手工切削到機(jī)械加工，都伴隨著人力的參與，而發(fā)展到計(jì)算機(jī)的問世，現(xiàn)代化的減材制造方法——數(shù)控加工才逐步成型。數(shù)控加工主要以加工金屬零件為主。數(shù)控加工是計(jì)算機(jī)代碼和數(shù)控機(jī)床的結(jié)合應(yīng)用。機(jī)床加工零件的運(yùn)行和結(jié)束動(dòng)作都受程序長(zhǎng)短以及結(jié)束代碼的直接控制。

1.2 當(dāng)前我國(guó)數(shù)控加工的發(fā)展現(xiàn)狀

近年，我國(guó)數(shù)控加工技術(shù)已經(jīng)能夠自給自足。已漸漸追趕上第一梯隊(duì)，其中臥式車削中心和車銑復(fù)合中心，在自主研發(fā)以及和國(guó)外企業(yè)進(jìn)行合資的情況下，發(fā)展最為迅猛。但例如臥式車銑復(fù)合加工中心、帶Y軸或C軸的臥式車削中心、雙主軸臥式車削中心和高精度臥式車削中心，現(xiàn)在主要還是以進(jìn)口為主[2]。

國(guó)產(chǎn)立式、臥式加工中心發(fā)展迅速，已經(jīng)使其能夠滿足國(guó)內(nèi)廠家的生產(chǎn)需求，成為國(guó)產(chǎn)廠商的首選，在部分特定行業(yè)已能滿足產(chǎn)業(yè)需求。例如發(fā)電、冶金、礦采領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)的數(shù)控重型金切機(jī)床因價(jià)格低廉，功能、技術(shù)相對(duì)完備，已漸漸取代了進(jìn)口機(jī)床。未來該類加工中心的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)該將重點(diǎn)放在提高產(chǎn)品的質(zhì)量，以及加強(qiáng)售前和售后服務(wù)上。

一些依賴于尖端技術(shù)的加工中心，譬如高精度（亞微米級(jí)和納米級(jí)）加工中心發(fā)展緩慢，滿足不了國(guó)內(nèi)消費(fèi)者的需求涉及到高度自動(dòng)化、高精度要求的機(jī)床時(shí)，企業(yè)選購(gòu)主要還是以進(jìn)口機(jī)床為主[3]。

在2009年，進(jìn)口機(jī)床仍高達(dá)59億美元，其中金切機(jī)床45.6億美元，金屬成形機(jī)床13.4億美元[4]。2018年，根據(jù)中國(guó)海關(guān)、華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院整理的資料可知，我國(guó)的數(shù)控機(jī)床進(jìn)口金額約為33.8億美元，較十年前，進(jìn)口金額已大幅下降。因此，在數(shù)控加工領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)機(jī)床想要得到市場(chǎng)用戶的普遍認(rèn)可，還有很長(zhǎng)的路要走。

2 增材制造

2.1 增材制造簡(jiǎn)述

增材制造興起于20世紀(jì)90年代，技術(shù)相對(duì)薄弱。但由于它能彌補(bǔ)減材制造方法中的復(fù)雜曲面產(chǎn)品制造困難、材料利用率低下、自動(dòng)化程度不高的缺陷，已漸漸成為當(dāng)今制造業(yè)研究發(fā)展的主流[5]。

3D打印制造，是一種將打印材料疊加加工成產(chǎn)品實(shí)體的制造方法。其制造原理是將生產(chǎn)產(chǎn)品從復(fù)雜的三維空間形態(tài)轉(zhuǎn)換成相對(duì)簡(jiǎn)單的二維截面，然后運(yùn)用擠壓、熱塑、熔融等復(fù)合技術(shù)堆疊成三維形態(tài)。

我國(guó)的李軒等學(xué)者將3D打印技術(shù)大體分為五大類。目前國(guó)際上對(duì)3D打印的分類根據(jù)國(guó)際ISO/ASTM52900:2015標(biāo)準(zhǔn)大體分為黏結(jié)劑噴射、定向能量沉積、材料擠出、材料噴射、粉末床熔融、薄材疊層和立體光固化七大類[6]。

增材制造是也被經(jīng)?？醋魇堑谌喂I(yè)革命的代表。它能運(yùn)用不同材料，如塑料、木材、陶瓷、金屬石墨烯等制造各類產(chǎn)品，例如：人體植入體（義肢、假牙），醫(yī)療康復(fù)器材，生活日用品，甚至航空航天用品等，如圖1所示。

圖1 3D打印產(chǎn)品

從等材制造、減材制造到增材制造的一步步發(fā)展，不是逐步迭代淘汰的過程，而是科技的使然，是相互取長(zhǎng)補(bǔ)短的進(jìn)步。

2.2 目前國(guó)內(nèi)的3D打印發(fā)展?fàn)顩r

我國(guó)2016年才成立了全國(guó)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC562)，科技部也將其增添納入《國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）》當(dāng)中，大力支持3D打印技術(shù)的發(fā)展。陳為平等[7]歸納總結(jié)了近十年全球市場(chǎng)，如圖2所示。從圖中可看出，從2010年的接近15億美元增長(zhǎng)到近兩年的75億美元左右，3D打印的市場(chǎng)規(guī)模翻了接近五倍，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到飽和狀況，當(dāng)前仍處在一個(gè)飛速發(fā)展的階段，發(fā)展前景一片大好。而中國(guó)的市場(chǎng)規(guī)模從最初的0.7億美元暴漲到16.6億美元，翻了十五倍多，市場(chǎng)份額不斷上升，規(guī)模急速增大。

圖2 近十年3D打印的市場(chǎng)規(guī)模

2.3 3D打印技術(shù)的發(fā)展成熟度與其專利數(shù)量息息相關(guān)

圖3 國(guó)內(nèi)有關(guān)3D打印專利的分布區(qū)域

根據(jù)鄧丹等[8]整理的我國(guó)2015年之前各個(gè)地區(qū)關(guān)于3D打印技術(shù)申請(qǐng)專利分布，統(tǒng)計(jì)了當(dāng)前我國(guó)“3D打印”專利的區(qū)域分布如圖3所示。占比最高的區(qū)域?yàn)闁|部沿海地區(qū)，以廣東、江蘇、上海、浙江四個(gè)地區(qū)為代表，接近46.74%，比重接近全國(guó)數(shù)一半。單一專利占比最高的地區(qū)為北京，有11.22%。

由此可見，經(jīng)濟(jì)水平越高的地區(qū)，對(duì)新興技術(shù)的包容度越高，擁有3D打印技術(shù)專利越多的地區(qū)，發(fā)展越為領(lǐng)先，對(duì)該領(lǐng)域也越重視，發(fā)展前景也最為突出。

2.4 我國(guó)3D打印存在的問題及解決方法

（1）阻撓我國(guó)3D打印技術(shù)發(fā)展的主要是商用打印材料發(fā)展緩慢，大步落后于發(fā)展迅猛的打印技術(shù)，這也是困擾全球3D打印行業(yè)的主要問題。

（2）國(guó)內(nèi)3D應(yīng)用領(lǐng)域不多，價(jià)格昂貴。

（3）我國(guó)3D打印行業(yè)專利、知識(shí)產(chǎn)權(quán)的管理不規(guī)范。某一尖端領(lǐng)域，某一項(xiàng)技術(shù)在最早研發(fā)出來的情況下，由于未申請(qǐng)專利保護(hù)導(dǎo)致他國(guó)盜取該項(xiàng)技術(shù)甚至誣告我國(guó)盜取其技術(shù)。為此，我們應(yīng)該逐步完善該方面的保護(hù)法律。

因此，要想3D打印機(jī)大規(guī)模普及，需要突破打印機(jī)的零件制造技術(shù)限制，拉低成本，增加相關(guān)技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。

3 制造技術(shù)的未來方向淺析

近些年來，隨著現(xiàn)代數(shù)字化加工與設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷提高，促進(jìn)了相關(guān)制造產(chǎn)品的豐富，但也暴露了許多問題。主要未來發(fā)展方向淺析如下：

（1）在減材制造的機(jī)床加工領(lǐng)域。主要提高加工機(jī)床的自動(dòng)化程度。因此，智能機(jī)床的研究與應(yīng)用是未來的主要發(fā)展方向，包括研究智能機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)，復(fù)雜型面件數(shù)字化加工的工藝流程，曲面件數(shù)字化加工刀具軌跡規(guī)劃等問題。

（2）而在增材制造行業(yè)。完善3D打印機(jī)的成本控制，打印材料的多元化、廉價(jià)化，操作過程的簡(jiǎn)單化，三維設(shè)計(jì)的軟件的便捷性，3D打印路徑的優(yōu)化，增材制造技術(shù)發(fā)展的地區(qū)差異縮小等等，這將是增材制造技術(shù)未來發(fā)展的研究領(lǐng)域。

（3）增減材制造技術(shù)協(xié)同一體加工技術(shù)的發(fā)展將是未來的強(qiáng)勢(shì)生產(chǎn)技術(shù)。以數(shù)控加工和3D打印為主的復(fù)合加工技術(shù)研究領(lǐng)域的發(fā)展，原理是先運(yùn)用3D打印機(jī)的二維截面打印拼接成三維實(shí)體，然后在此基礎(chǔ)上利用數(shù)控機(jī)床的銑、削、磨、鉆等技術(shù)進(jìn)行精確加工，最終一體成型。

4 結(jié)語(yǔ)

制造方法的演變是伴隨著科技的發(fā)展而不斷進(jìn)步的，基于增減材制造的復(fù)合加工機(jī)床的研究與應(yīng)用，如何能夠提高工件加工的效率，研發(fā)更好的材質(zhì)，智能算法適應(yīng)復(fù)雜型面件的復(fù)合材料的加工需要，節(jié)省成本，都是數(shù)字化加工技術(shù)的發(fā)展需要。思考如何發(fā)展基于結(jié)合各類生產(chǎn)方式優(yōu)勢(shì)的復(fù)合加工技術(shù)，才能使制造行業(yè)未來的發(fā)展更好地為人類的文明進(jìn)步服務(wù)。