3D打印技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

劉亦文

（西安思源學(xué)院，陜西 西安 710038）

引言

3D打印技術(shù)是近年來非常熱門的高科技技術(shù)，具有一次成型、速度快、產(chǎn)品精度高、打印成本低和可個性化定制等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)階段，3D打印技術(shù)在我國得到了快速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療和機(jī)械等領(lǐng)域。3D技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，促進(jìn)了機(jī)械制造技術(shù)變革，使機(jī)械制造越來越智能化和自動化。因此，對3D技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用進(jìn)行研究，對機(jī)械制造業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展具有非常重要的意義。

1 3D打印技術(shù)的介紹

3D打印技術(shù)又被稱為增料制造技術(shù)，是一種快速成型的技術(shù)手段。通過利用計算機(jī)技術(shù)建立3D數(shù)字模型，并將3D模型層層分割成多個平面，然后用粉末狀的可黏合原材料進(jìn)行逐層打印。簡單來講，3D打印技術(shù)就是把不同材質(zhì)的原料打印成薄層，然后層層累積，最終形成三維立體形態(tài)。目前市場上有多種不同的3D打印技術(shù)，最為常見的是熔融沉積成型技術(shù)，即FDM工藝。此外，還有選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS工藝）和立體光固化技術(shù)（SLA工藝）等[1]。

2 3D打印技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 緩解機(jī)械制造業(yè)產(chǎn)能過剩問題

產(chǎn)能過剩是目前機(jī)械制造行業(yè)比較突出的問題，產(chǎn)能過剩的主要原因是改革開放以來，國家對工業(yè)品的投資力度不斷加大，而國內(nèi)需求大幅度減少，造成制造業(yè)出現(xiàn)供大于求的問題。3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造個性化和定制化生產(chǎn)，可根據(jù)顧客的不同需求進(jìn)行針對性的生產(chǎn)制造，避免原有的大規(guī)模生產(chǎn)模式帶來的浪費(fèi)問題。

2.2 節(jié)省機(jī)械制造空間和降低生產(chǎn)成本

傳統(tǒng)機(jī)械制造通常要使用大型機(jī)械設(shè)備及專用模具，因此占地面積比較大，3D打印設(shè)備體積都比較小，可以有效減小空間需求。同時，3D打印設(shè)備應(yīng)用于項目前期設(shè)計，能夠及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計階段存在的缺陷和不足，并不斷修改和完善，可有效降低生產(chǎn)成本。

2.3 提高制造效率并優(yōu)化工藝技術(shù)

3D技術(shù)的另一個重要優(yōu)勢是能夠有效提升工作效率。在機(jī)械領(lǐng)域，一個產(chǎn)品的制作周期往往都很長，而采用3D技術(shù)，可以將時間大大縮短，甚至幾個小時內(nèi)就能完成，產(chǎn)品精度也勝于傳統(tǒng)機(jī)械制造，既大幅度提高了生產(chǎn)效率，又保證了產(chǎn)品質(zhì)量。另外，3D打印技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)很多傳統(tǒng)機(jī)械制造無法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計理念、優(yōu)化和創(chuàng)新制造工藝，通過使用計算機(jī)建模技術(shù)，完成高難度的模型設(shè)計，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)[2]。

3 3D打印技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)中的具體應(yīng)用

3.1 機(jī)械制造產(chǎn)品樣品生產(chǎn)

很多機(jī)械生產(chǎn)廠家都會進(jìn)行產(chǎn)品樣品展示，如果把生產(chǎn)的產(chǎn)品作為樣品進(jìn)行展示，由于產(chǎn)品體積都比較大，需要足夠大的展示場地，而且不便于運(yùn)輸和安裝。如果僅展示設(shè)計圖紙，則不能直觀地展現(xiàn)產(chǎn)品的樣貌和性能。通過使用計算機(jī)技術(shù)對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行建模，然后同比例縮小機(jī)械產(chǎn)品的尺寸參數(shù)，使用3D打印技術(shù)，就可以得到微型的機(jī)械產(chǎn)品樣品，可以直觀地展示產(chǎn)品形態(tài)，更利于運(yùn)輸、存放和展示。

3.2 機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計與研發(fā)

機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計過程包括模型、工藝以及程序控制方式等方面設(shè)計，利用3D技術(shù)可以快速實(shí)現(xiàn)這些方面的優(yōu)化。通過使用3D打印技術(shù)中的三維數(shù)字化技術(shù)，依據(jù)產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)可以直接設(shè)計出產(chǎn)品的模型，極大地簡化了傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計步驟，而且3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計產(chǎn)品的檢測和對數(shù)據(jù)模型的產(chǎn)品定義等，機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計與研發(fā)過程變得更加智能化和簡便化。同時，3D打印技術(shù)可以在設(shè)計階段根據(jù)客戶的私人定制需求開發(fā)創(chuàng)新產(chǎn)品，滿足產(chǎn)品的個性化定制，尤其是在小批量柔性化生產(chǎn)、機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜和具有高附加值的產(chǎn)品定制設(shè)計中，3D打印技術(shù)具有傳統(tǒng)機(jī)械制造所不可比擬的優(yōu)勢。3D打印技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)化，首先對現(xiàn)有物體進(jìn)行模型構(gòu)建，并進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，再通過3D打印的方式實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)有物體的再造、升級，該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于歷史文物的修繕中[3]。

3.3 機(jī)械產(chǎn)品的三維測量與物體重建

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)融入了智能視覺感知技術(shù)，即3D傳感技術(shù)。3D傳感技術(shù)一般是由多個攝像頭和深度傳感器構(gòu)成，通過物理學(xué)中光折射原理實(shí)現(xiàn)對物體的測量，發(fā)射端發(fā)出特定的結(jié)構(gòu)光照射在被測物體上，光斑被折射回接收端時會有一定的形變，根據(jù)物體的距離和形變的大小，可以計算得到物體的結(jié)構(gòu)信息，實(shí)現(xiàn)對物體三維輪廓的掃描。還可以用于對一些比較大型的機(jī)械設(shè)備以及機(jī)械設(shè)備零件的質(zhì)量檢測，減少人為測量的誤差，提高質(zhì)檢的精度。而且根據(jù)攝像頭測定的相應(yīng)參數(shù)，就可以重建物體三維場景信息，在計算機(jī)上實(shí)現(xiàn)對三維場景的處理、操作和分析，這也是3D打印技術(shù)中利用計算機(jī)建立虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)手段[4-6。

4 3D打印技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用對策與建議

3D打印技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用，極大地促進(jìn)了機(jī)械制造技術(shù)水平的發(fā)展。為了更好地促進(jìn)3D打印技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械制造，應(yīng)該從以下幾方面著手：首先國家應(yīng)鼓勵高校和相關(guān)企業(yè)積極進(jìn)行3D打印技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新，加大3D打印技術(shù)研發(fā)資金的投入，攻克3D打印速度過慢的難題，使3D打印技術(shù)能早日實(shí)現(xiàn)制造機(jī)械產(chǎn)品規(guī)模化。其次政府可以建立3D打印技術(shù)示范中心，展示3D打印技術(shù)在機(jī)械制造過程中的優(yōu)勢，并聘請相關(guān)技術(shù)人員為企業(yè)引進(jìn)3D打印技術(shù)進(jìn)行指導(dǎo)，使更多的機(jī)械制造企業(yè)逐步認(rèn)可和接受3D打印技術(shù)。最后政府要積極鼓勵更多的人才加入到3D打印技術(shù)創(chuàng)業(yè)中，通過建立創(chuàng)業(yè)基地、共享研發(fā)設(shè)備和提供技術(shù)支持等手段，扶持3D打印技術(shù)創(chuàng)業(yè)者，并利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)建3D產(chǎn)業(yè)共享平臺，從多角度保證3D打印技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展[7-9]。

5 結(jié)語

3D打印技術(shù)作為一項重要的科技手段，為機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的社會價值和經(jīng)濟(jì)效益，并為機(jī)械制造業(yè)解決了產(chǎn)能過剩和小批量柔性化生產(chǎn)的問題，在產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計上也有著傳統(tǒng)制造業(yè)不可比擬的優(yōu)勢。在市場競爭日益激烈的情況下，為了更好地提高機(jī)械制造業(yè)的市場競爭力，國家和有關(guān)企業(yè)需要加大對3D打印技術(shù)的研究力度，實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的突破與創(chuàng)新，為機(jī)械制造業(yè)注入源源不斷的發(fā)展動力，為國家經(jīng)濟(jì)水平的提高作出貢獻(xiàn)。