機(jī)械制造中3D打印技術(shù)的應(yīng)用

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摘要：3D打印技術(shù)作為第四次工業(yè)革命標(biāo)志性生產(chǎn)工具和熱門技術(shù)，是“中國(guó)制造2025”的制造業(yè)創(chuàng)新中心建設(shè)工程的技術(shù)支撐，更是推動(dòng)機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造創(chuàng)新的主抓手，有助于實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造轉(zhuǎn)型升級(jí)。文章闡述了3d打印技術(shù)原理，分析其在機(jī)械制造行業(yè)中的創(chuàng)新應(yīng)用及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，以期促進(jìn)3D打印技術(shù)與機(jī)械制造深度融合和發(fā)展，提升機(jī)械制造行業(yè)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；機(jī)械制造；應(yīng)用

13D打印技術(shù)概述

作為第四次工業(yè)革命標(biāo)志性生產(chǎn)工具的3D打印技術(shù)，又稱增材制造技術(shù)是基于三維數(shù)字模型設(shè)計(jì)，運(yùn)用高能束源或其他方式將粉末狀金屬、熔融體、塑料等特殊粘合材料，逐層打印再自下而上地堆積粘結(jié)構(gòu)造成三維實(shí)體模型的過程。主要借助數(shù)字建模、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）或三維測(cè)量等軟件將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)化，和3D打印設(shè)備將產(chǎn)品設(shè)計(jì)思想快速、直接、自動(dòng)、準(zhǔn)確地落地實(shí)現(xiàn)，制造具有一定功能的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。為設(shè)計(jì)思想驗(yàn)證、校驗(yàn)，產(chǎn)品原型制作等工作提供一種快速、高效、低成本的實(shí)現(xiàn)手段。

23D打印技術(shù)在機(jī)械制造的特點(diǎn)和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3D打印技術(shù)特點(diǎn)為小批量、個(gè)性化生產(chǎn)；制造生產(chǎn)周期短；材料利用率高；生產(chǎn)成本低、效率高。在機(jī)械制造的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)如下。

2.1智能化制造生產(chǎn)

機(jī)械制造的智能化、自動(dòng)化是其發(fā)展核心方向。3D打印技術(shù)原理充分利用計(jì)算機(jī)各類智能軟件程序?qū)C(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)字量化、虛擬設(shè)計(jì)，再通過打印設(shè)備將產(chǎn)品定型打印，這體現(xiàn)了智能化制造，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)到機(jī)械成型的快速高精度轉(zhuǎn)化。機(jī)械制造行業(yè)由3D打印技術(shù)的加持，勢(shì)必實(shí)現(xiàn)智能化制造生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，更科學(xué)高效地生產(chǎn)符合人們需求的機(jī)械產(chǎn)品[1]。

2.2個(gè)性化定制制造生產(chǎn)

與傳統(tǒng)機(jī)械制造相比，3D打印技術(shù)應(yīng)用有小批量、個(gè)性化生產(chǎn)的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)?？梢跃W(wǎng)絡(luò)平臺(tái)為應(yīng)用需求點(diǎn)來滿足人們追求個(gè)性化，將客戶群體由小批量訂購的企業(yè)擴(kuò)展至小群體客戶甚至個(gè)人[2]。如服裝類、激光刻字等定制產(chǎn)品需求量越來越多，3D打印技術(shù)可快速將個(gè)性化創(chuàng)意變現(xiàn)，個(gè)性化產(chǎn)品快速生成，降低設(shè)計(jì)制造成本和縮短設(shè)計(jì)生成時(shí)間，更好地滿足顧客的定制需求，提高顧客滿意度。

2.3優(yōu)化機(jī)械制造流程

一般機(jī)械設(shè)計(jì)至制造流程包括預(yù)想產(chǎn)品市場(chǎng)需求調(diào)研、設(shè)計(jì)草圖和功能預(yù)設(shè)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至模型制作、產(chǎn)品模型評(píng)估分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、產(chǎn)品定型等，這需要反復(fù)對(duì)模型評(píng)估和設(shè)計(jì)優(yōu)化，其流程較為復(fù)雜，對(duì)材料資源、時(shí)間和設(shè)計(jì)精力消耗較大，卻其設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品質(zhì)量與機(jī)械產(chǎn)品有偏差，致使機(jī)械設(shè)計(jì)制造成本高。但3D打印的應(yīng)用，可快速打印出產(chǎn)品模型，直觀評(píng)估產(chǎn)品功能和驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性，進(jìn)而調(diào)整設(shè)計(jì)方向、優(yōu)化流程和降低設(shè)計(jì)成本，對(duì)設(shè)計(jì)要求高、產(chǎn)品類型變動(dòng)多的機(jī)械制造適用性強(qiáng)[3-4]。此外，從制造經(jīng)濟(jì)的角度來說，與機(jī)械制造相關(guān)的3D打印技術(shù)體表現(xiàn)出全方位的機(jī)械制造優(yōu)勢(shì)，關(guān)鍵是制造精度得以保障，簡(jiǎn)化和縮短機(jī)械制造流程，全面提高機(jī)械制造實(shí)效性和生產(chǎn)效率。

33D打印技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

3.1三維測(cè)量與模型重建

在機(jī)械制造中的三維測(cè)量和三維重建應(yīng)用，是利用3D傳感和三維掃描儀完成的。通過三維掃描儀的3D傳感攝像頭掃描捕捉機(jī)械產(chǎn)品三維輪廓，再使用垂直腔面發(fā)射激光器、衍射光學(xué)元件等3D傳感元器件配合數(shù)模算法對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行三維測(cè)量和模型重建。其掃描精度高、應(yīng)用快速便捷等優(yōu)勢(shì)，能加速機(jī)械制造自動(dòng)化和互聯(lián)網(wǎng)智能化發(fā)展，有助于轉(zhuǎn)變發(fā)展方式和制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，進(jìn)而增強(qiáng)企業(yè)產(chǎn)品的市場(chǎng)核心競(jìng)爭(zhēng)力[5]。

3.2機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造

3D打印技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新和數(shù)字化設(shè)計(jì)制造應(yīng)用已成為必然趨勢(shì)。通過數(shù)字化設(shè)計(jì)制造集成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品三維建模與仿真以及虛擬裝配以及虛擬制造、產(chǎn)品制造等全周期機(jī)械制造。因具有直接成型、成本低、開發(fā)周期短、綠色制造、柔性化制造等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械原型產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造中大多會(huì)利用3D打印技術(shù)來縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高設(shè)計(jì)效率。

3.3逆向建模的機(jī)械制造設(shè)計(jì)

逆向建模有別于機(jī)械產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)的，通過技術(shù)手段對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行逆向分析和研究，利用CAD等三維建模軟件和3D打印設(shè)備，推算演繹該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征、功能特點(diǎn)、技術(shù)規(guī)格及生產(chǎn)工藝等設(shè)計(jì)要素，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代和“從有到新”的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程。其內(nèi)容主要有3D掃描、逆向建模、軟件應(yīng)用、3D打印制作等，可利用3D掃描儀對(duì)被逆向建模的物件進(jìn)行掃描，數(shù)據(jù)收集，三維模型重構(gòu)，再對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)調(diào)整、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)原模型再復(fù)制和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

4結(jié)束語

當(dāng)前，3D打印技術(shù)在機(jī)械制造應(yīng)用廣泛，對(duì)機(jī)械制造和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的智能化和數(shù)字化水平有顯著提高，設(shè)計(jì)理念得以更新，設(shè)計(jì)成本得以節(jié)約，縮短機(jī)械制造產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。也是機(jī)械制造企業(yè)發(fā)展的核心內(nèi)容，確保機(jī)械制造升級(jí)轉(zhuǎn)型步伐加快，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，提高企業(yè)生產(chǎn)效率，企業(yè)質(zhì)量效益穩(wěn)步提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]王利,黎志勇.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[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2018(20):215-216.

[2]夏端武,薛小鳳.3D打印技術(shù)對(duì)機(jī)械制造業(yè)產(chǎn)生的影響[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2016(12):184-186.

[3]鄭經(jīng)偉,姚蓉.3D打印在機(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用[J].信息記錄材料,2017,18(7):17-18.

[4]扈恩同.3D打印技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用研究[J].世界有色金屬,2018(1):42-43.

作者：郭小燕 單位：山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院