數(shù)控機(jī)床與3D打印一體化制造技術(shù)研究

姚層林

摘要：數(shù)控機(jī)床與3D打印一體化制造技術(shù)在加工生產(chǎn)時(shí)擁有各自不同的要求和特點(diǎn)，將二者結(jié)合在一起能夠更好的促進(jìn)我國(guó)制造業(yè)發(fā)展。為此，文章在闡述數(shù)控機(jī)床與3D打印一體化制造技術(shù)內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，分析數(shù)控機(jī)床與3D打印一體化制造技術(shù)融合的必要性，并就如何打造數(shù)控機(jī)床與3D打印一體化制造技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)品制造方式進(jìn)行探究，旨在能夠降低3D打印制造的難度，提高產(chǎn)品的制造速度。

Abstract： The integrated manufacturing technology of CNC machine tools and 3D printing has different requirements and characteristics in the processing and production. Combining the two together can better promote the development of China's manufacturing industry Therefore， this article expounds the connotation of the nc machine tools with 3 d printing integrated manufacturing technology， on the basis of analysis of nc machine tools and the necessity of integration of 3 d printing manufacture technology integration， and as building nc machine tools and integrated manufacturing technology with the combination of 3 d printing products manufacturing， to can reduce the difficulty of 3 d printing manufacture， improve the product manufacturing.

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床;3D打印;?? ?切削;一體化;加工制造;工業(yè)化生產(chǎn)

Key words： CNC machine tool;3D printing;cutting;integration;processing and manufacturing;industrial production

中圖分類號(hào)：TG519.1?????????;???????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????????????????????????????? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）21-0206-02

0? 引言

從上個(gè)世紀(jì)八十年代開始，3D打印技術(shù)開始被人們關(guān)注，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，衍生出了選擇性激光燒結(jié)、熔融沉積、分層實(shí)體制造、選擇性激光溶化成型等多個(gè)形式，被人們廣泛的應(yīng)用到工業(yè)設(shè)計(jì)、模具加工制造、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。當(dāng)前，3D打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一種成本效益優(yōu)良的技術(shù)形式。依托3D打印技術(shù)，在產(chǎn)品研發(fā)的初始階段就需要相關(guān)人員能夠獲取反饋信息，通過(guò)對(duì)這些信息的分析來(lái)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，予以調(diào)整，最終不僅會(huì)節(jié)省零部件加工成本，而且還能夠縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率。

從3D打印技術(shù)應(yīng)用情況來(lái)看，僅僅依靠傳統(tǒng)的打印方式無(wú)法完成對(duì)產(chǎn)品的最終制造，也會(huì)加大打印難度。在制造業(yè)領(lǐng)域沿用的也是傳統(tǒng)切削加工方式，效率低下。將以數(shù)控機(jī)床為代表的的減材制造裝備技術(shù)和3D打印技術(shù)結(jié)合在一起會(huì)打造出彼此密切配合的產(chǎn)品制造方式，不僅會(huì)降低3D打印制造難度，而且還會(huì)提升產(chǎn)品的制造速度。

1? 數(shù)控機(jī)床與3D打印的概念分析

1.1 數(shù)控機(jī)床

數(shù)控機(jī)床是機(jī)電一體化生產(chǎn)設(shè)備，在推進(jìn)我國(guó)零部件的自動(dòng)化生產(chǎn)加工方面起到了十分重要的作用。在具體實(shí)施操作的時(shí)候數(shù)控機(jī)床會(huì)按照各個(gè)零部件的實(shí)際加工生產(chǎn)需求來(lái)編訂零部件的生產(chǎn)加工程序，而后將程序輸入到控制中心，在控制中心的指引下來(lái)操控設(shè)備的運(yùn)行。

數(shù)控機(jī)床的加工本質(zhì)是減材制造，通過(guò)對(duì)一系列原材料的切削處理會(huì)獲得最終的產(chǎn)品。為了保障加工的精準(zhǔn)性，在零部件加工設(shè)計(jì)的時(shí)候會(huì)利用傳感器設(shè)備來(lái)對(duì)零部件 生產(chǎn)加工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督控制，根據(jù)實(shí)際情況來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行軌跡，保障零部件加工的精準(zhǔn)性、安全性、可靠性。

1.2 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)在使用的時(shí)候改變了以往的加工制造方式，其增加使用的制造技術(shù)能夠?qū)Y(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件進(jìn)行加工。首先，借助計(jì)算機(jī)軟件依照三維立體模型的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)完成切片分層處理，而后會(huì)將零件的3D形狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎S圖形。其次，根據(jù)加工要求按照一定的順序來(lái)完成二維圖形的填充，整合信息，后將信息導(dǎo)入到打印機(jī)控制系統(tǒng)，打印機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)填充路徑處理填充材料，層級(jí)進(jìn)行，最終會(huì)打造出三維實(shí)體工件。3D打印技術(shù)的應(yīng)用本質(zhì)是將各個(gè)打印材料分層堆積在一起，從而富有效率的完成零件加工。

2? 數(shù)控機(jī)床與3D打印的特點(diǎn)

2.1 應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)

3D打印技術(shù)是增材制造形式，具備加工成型速度快、成本造價(jià)低廉、操作方便簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，被人們廣泛的應(yīng)用在現(xiàn)代化生產(chǎn)加工中。和以往減材制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)擺脫了對(duì)刀具、夾具配套工具的使用，且在實(shí)施操作的時(shí)候能夠在這個(gè)加工工序之間靈活轉(zhuǎn)換。在生產(chǎn)不同零件時(shí)，只需要調(diào)用不同的文件即可。在產(chǎn)品研究周期上相對(duì)較短，只需要利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行零件設(shè)計(jì)，然后即可投入使用，尤其是對(duì)于新品的研發(fā)試產(chǎn)具有重要意義，可大大減少減材制造的工序。

數(shù)控機(jī)床的加工形式為減材制造，在具體實(shí)施操作的時(shí)候會(huì)利用刀具、夾具等來(lái)對(duì)原材料進(jìn)行切削處理，去除不必要的部分，最終制造成設(shè)計(jì)的形狀。數(shù)控機(jī)床技術(shù)雖然沒(méi)有3D打印神奇，但普通機(jī)床完成數(shù)控化改造后可大幅提高機(jī)床的加工效率和自動(dòng)化、智能化程度，降低操作者接觸危險(xiǎn)部位的可能性，減少操作者操作失誤現(xiàn)象發(fā)生的可能。機(jī)床經(jīng)數(shù)控化改造后，安全性能得到明顯改善，事故率顯著降低，將帶來(lái)巨大的安全效益。

2.2 應(yīng)用局限

在機(jī)床使用的過(guò)程中用在切除金屬的功率僅僅占據(jù)25%左右的比例，在去掉各個(gè)損耗和輔助功能占比的基礎(chǔ)上，材料的平均利用率比較低，在具體加工操作的時(shí)候有可能會(huì)浪費(fèi)比較多的金屬材料。如果能夠?qū)⒉牧系木C合利用率提高10%左右的比例就能夠每年節(jié)省幾十萬(wàn)噸的鋼材。但是從當(dāng)前應(yīng)用角度來(lái)看，3D打印技術(shù)的使用不夠完善，依托3D打印技術(shù)生產(chǎn)加工出來(lái)的產(chǎn)品距離理想化的產(chǎn)品會(huì)存在一定的差距。比如一些對(duì)強(qiáng)度要求較高的金屬零部件無(wú)法選擇使用3D打印模式，飛機(jī)引擎內(nèi)部高性能的零部件無(wú)法使用這種方式進(jìn)行加工。

3? 數(shù)控機(jī)床與3D打印一體化制造的必要性分析

數(shù)控機(jī)床與3D打印技術(shù)融合在一起使用能夠有效彌補(bǔ)各自的缺點(diǎn)，最終提升零部件的生產(chǎn)加工效率、質(zhì)量。在復(fù)合機(jī)床生產(chǎn)設(shè)計(jì)中可以將數(shù)控加工中削減的材料進(jìn)行二次處理，而后用在3D打印原材料上。同時(shí)，經(jīng)過(guò)3D打印技術(shù)的零部件還能夠利用數(shù)控技術(shù)進(jìn)行精細(xì)化加工，在兩種技術(shù)的配合使用下會(huì)提升零部件的生產(chǎn)加工效率。在工廠生產(chǎn)加工操作的時(shí)候還能夠?qū)崿F(xiàn)物料的循環(huán)使用，由此在保障生產(chǎn)的同時(shí)提高資源利用率。依托數(shù)控機(jī)床與3D打印技術(shù)的復(fù)合機(jī)床操作更為簡(jiǎn)單，操作人員在工作站就能夠完成整個(gè)加工操作，簡(jiǎn)化流程，提高效率，降低成本。

4? 數(shù)控機(jī)床與3D打印技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 數(shù)控機(jī)床和3D打印一體化制造的基本理念

數(shù)控機(jī)床和3D打印一體化制造結(jié)合在一起能夠更好的提升產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，最終加工出更高質(zhì)量的產(chǎn)品。在采取傳統(tǒng)切削方式生產(chǎn)制造產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，會(huì)通過(guò)數(shù)控機(jī)床技術(shù)來(lái)產(chǎn)品加工產(chǎn)生的粉末充分收集起來(lái)，而后將收集上來(lái)的金屬材料粉末直接導(dǎo)入到3D打印機(jī)中，最終生產(chǎn)出符合要求的產(chǎn)品。

4.2 數(shù)控機(jī)床和3D打印一體化制造加工方式

傳統(tǒng)意義層面上的制造工藝會(huì)牽扯到對(duì)原材料的切削、彎曲、鍛造等工序， 經(jīng)過(guò)這一系列的操作工序能夠生產(chǎn)出更高質(zhì)量的產(chǎn)品。

和傳統(tǒng)打印技術(shù)相比，3D打印技術(shù)彌補(bǔ)了以往打印技術(shù)尺寸小、精準(zhǔn)度差、速度慢的問(wèn)題，也使得3D打印技術(shù)開始朝著人們實(shí)際的生產(chǎn)、生活方向發(fā)展。在減材制造和增材制造融合基礎(chǔ)上人們研究出了“打印-加工”結(jié)合的新型3D打印模式，在這個(gè)打印模式的作用下會(huì)將產(chǎn)品的加工制造劃分為3D打印和數(shù)控加工兩個(gè)操作部分，在經(jīng)過(guò)打印之后會(huì)預(yù)留出產(chǎn)品的一定加工余量，目的是為之后的切削加工提供支持。在打印加工之后會(huì)立即啟動(dòng)數(shù)控加工系統(tǒng)，借助切削道具的方式來(lái)解決產(chǎn)品打印過(guò)程中的缺陷，使得被加工的零部件能夠滿足規(guī)范的設(shè)計(jì)和使用需求。

在產(chǎn)品打印的過(guò)程中，可以通過(guò)引入分級(jí)打印技術(shù)來(lái)提升打印速度，提高打印效率。在實(shí)施打印操作的時(shí)候首先要使用打印熔絲直徑比較小的打印噴頭，借助這個(gè)打印噴頭來(lái)對(duì)打印切片層外貌進(jìn)行設(shè)計(jì)，而后根據(jù)實(shí)際情況在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)將其替換為熔絲直徑較大的打印噴頭。這樣的打印方式能夠有效保障打印產(chǎn)品的外部質(zhì)量，縮短打印時(shí)間，提高打印效率。

在產(chǎn)品打印完成之后啟動(dòng)數(shù)控加工功能，根據(jù)實(shí)際加工需要來(lái)選擇適合的切削工具、切削方式，從而恰如其分的通過(guò)切削的方式去除打印過(guò)程中產(chǎn)生的飛邊、拉絲缺陷。在實(shí)施打印操作的時(shí)候需要提前預(yù)留一定的余量，通過(guò)切削加工的方式來(lái)去除打印過(guò)程中產(chǎn)生的變形，降低打印難度。

為了能夠增進(jìn)數(shù)控機(jī)床與3D打印技術(shù)融合使用的配合度，數(shù)控加工系統(tǒng)要具備以下特點(diǎn)：①數(shù)控加工以數(shù)控銑削為基礎(chǔ)。在以往的打印機(jī)上加入一套新的數(shù)控加工系統(tǒng)，以數(shù)控銑削裝置為基礎(chǔ)，通過(guò)配備完善的加工刀庫(kù)來(lái)滿足不同零部件的加工需要。②具備恰當(dāng)工作位置的調(diào)整機(jī)構(gòu)。在打印和切削操作中，為了減少運(yùn)動(dòng)干擾，需要在數(shù)控機(jī)床與3D打印技術(shù)融合使用的過(guò)程中引入一套工作位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，為打印工作的順利進(jìn)行提供支持。

5? 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在未來(lái)，數(shù)控機(jī)床和3D打印一體化制造會(huì)被應(yīng)用到更多領(lǐng)域，但是從發(fā)展實(shí)際情況來(lái)看，一些地區(qū)在推廣數(shù)控機(jī)床和3D打印一體化制造的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)資源浪費(fèi)的問(wèn)題，在推廣技術(shù)融合的過(guò)程中會(huì)消耗比較多的原料和能源。數(shù)控機(jī)床與3D打印技術(shù)融合的本質(zhì)是增材制造和減材制造，在兩種技術(shù)的結(jié)合作用下會(huì)有效克服各自的生產(chǎn)局限，提高資源利用率，并在資源緊缺的社會(huì)背景下來(lái)更好的促進(jìn)我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)加工轉(zhuǎn)型，為我國(guó)工業(yè)強(qiáng)國(guó)的實(shí)現(xiàn)提供支持。通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床和3D打印一體化制造的研究我們可以預(yù)見未來(lái)裝備 制造生產(chǎn)加工的發(fā)展方向。數(shù)控機(jī)床和3D打印一體化制造加工方式能夠更好的促進(jìn)未來(lái)裝備制造業(yè)的發(fā)展，在這種制造管理方式的作用下能夠提升產(chǎn)品的生產(chǎn)較高效率，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。這種一體化的制造方式打破了以往的減法式加工形式，通過(guò)減法和加法的配合能夠?qū)⑾鳒p下來(lái)的材料重新生產(chǎn)加工，這樣的加工方法不僅節(jié)省了原材料、能源，而且還能夠減少產(chǎn)品加工對(duì)周圍環(huán)境的破壞。由此可以見得，數(shù)控機(jī)床和3D打印一體化制造是一種理想型的綠色加工形式。數(shù)控機(jī)床與3D打印技術(shù)的聯(lián)合使用仍然會(huì)面臨比較多的挑戰(zhàn)，需要研發(fā)人員積極思考、不斷優(yōu)化，從而使得一體化制造技術(shù)更為成熟，加工制造業(yè)的發(fā)展也更加順暢。

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