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數(shù)控機(jī)床與 3D 打印一體化制造技術(shù)分析

2021-2-19 來(lái)源：河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院作者：黨霞

摘要：數(shù)控機(jī)床技術(shù)和 3D 打印技術(shù)作為兩種不同的加工方式，在加工生產(chǎn)中都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。為了滿(mǎn)足高端制造的需求，可將 3D 打印的增材制造技術(shù)與數(shù)控機(jī)床的減材制造技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮兩種制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。文章首先闡述了數(shù)控機(jī)床加工與 3D打印一體化制造技術(shù)結(jié)合應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，然后對(duì)數(shù)控機(jī)床與 3D 打印一體化制造技術(shù)進(jìn)行分析，為促進(jìn)我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)水平的進(jìn)一步提升奠定良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；3D 打印；一體化制造；集成制造

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，對(duì)零件加工的技術(shù)水平提出了更高的要求。數(shù)控機(jī)床作為典型的機(jī)電一體化加工設(shè)備，在促進(jìn)我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展中發(fā)揮了重要的作用。沒(méi)有任何一種加工方式是完美的，數(shù)控機(jī)床為減材制造方式，所以在加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的碎屑垃圾，不僅造成資源的浪費(fèi)，而且會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的污染。而3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)，是對(duì)傳統(tǒng)加工形式的一種創(chuàng)新，其融合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、材料加工與成形技術(shù)，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，利用軟件與數(shù)控系統(tǒng)將專(zhuān)用材料以特有的方式進(jìn)行逐層堆積，最終制造出實(shí)體物品，稱(chēng)為增材制造。數(shù)控加工技術(shù)和 3D 打印技術(shù)在加工方式上完全相反，為了最大化的發(fā)揮兩種加工方式的優(yōu)勢(shì)，可以將兩種加工方式結(jié)合應(yīng)用，不僅能夠降低制造時(shí)間和成本，還能夠提高產(chǎn)品的制造質(zhì)量，進(jìn)一步提升我國(guó)加工制造業(yè)的水平。

1、數(shù)控機(jī)床與 3D 打印分析

1.1 數(shù)控機(jī)床與 3D 打印概念

數(shù)控機(jī)床是典型的機(jī)電一體化生產(chǎn)設(shè)備，在促進(jìn)我國(guó)零件加工的自動(dòng)化生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。數(shù)控機(jī)床主要是按照加工需求將加工工藝進(jìn)行編程處理，然后將程序輸入到控制中心，通過(guò)控制中心控制機(jī)械設(shè)備執(zhí)行操作。數(shù)控機(jī)床在加工方式上講屬于減材制造，通過(guò)對(duì)原材料的切削等處理，最終得到想要的產(chǎn)品。數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中，利用傳感器等設(shè)備能夠?qū)φ麄€(gè)加工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，以及時(shí)調(diào)整機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行軌跡，確保零件加工的精準(zhǔn)度和可靠性。數(shù)控系統(tǒng)具有靈活性和通用性的特點(diǎn)，且加工精度較高，在航天航空等精密零件加工中應(yīng)用也較為廣泛。

3D 打印技術(shù)改變了傳統(tǒng)的加工制造方式，其采用的增材制造技術(shù)能夠完成很多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件加工。首先利用計(jì)算機(jī)軟件將三維實(shí)體模型按照一定的厚度進(jìn)行切片分層，然后將零件的 3D 形狀信息轉(zhuǎn)換成二維圖形信息，再根據(jù)加工要求將每組二維圖形按照一定的順序填充路徑。在實(shí)際市場(chǎng)的過(guò)程中，會(huì)將這些路徑信息導(dǎo)入到打印機(jī)控制系統(tǒng)中，打印機(jī)即可按照填充路徑將填充材料熔化堆積，在每層達(dá)到一定的填充厚度后再進(jìn)行下一層的填充，最終形成三維實(shí)體工件。3D 打印技術(shù)實(shí)質(zhì)上就是將打印材料一層層的疊加起來(lái)的，所以能夠完成難度較大的零件加工。隨著這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，可利用的材料種類(lèi)越來(lái)越多，應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，對(duì)促進(jìn)我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。

1.2 數(shù)控機(jī)床與 3D 打印的特點(diǎn)

我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中的制造方式經(jīng)歷了等材制造、減材制造和增材制造三個(gè)階段，每個(gè)階段都是一種技術(shù)上的創(chuàng)新和改革。等材制造主要是指在加工前后材料的重量基本不變，比如鑄造、鍛造、焊接等生產(chǎn)方式。減材制造是指通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行切削加工，最終達(dá)到設(shè)計(jì)形狀的加工方式，比如使用車(chē)、銑、刨、磨等設(shè)備對(duì)材料進(jìn)行切削加工。增材制造主要是指通過(guò)光固化、選擇性激光燒結(jié)、熔融堆積等技術(shù)，以逐漸增加原料的形式加工成設(shè)計(jì)形狀，比如 3D 打印技術(shù)。這一系列過(guò)程的變遷，充分的展現(xiàn)了我國(guó)工業(yè)加工技術(shù)的發(fā)展，不僅是生產(chǎn)加工理念和模式的轉(zhuǎn)變，同時(shí)也大幅降低了加工成本和時(shí)間，降低了能源消耗，提高了生產(chǎn)效率。

數(shù)控機(jī)床加工形式為減材制造，在加工過(guò)程中利用刀具、夾具等對(duì)原材料進(jìn)行切削，去掉多余的部分，最終制造成設(shè)計(jì)的形狀。因數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化和智能化程度較高，所以對(duì)加工對(duì)象有較強(qiáng)的適應(yīng)性，不僅能夠批量生產(chǎn)，而且適用于單件或小批量產(chǎn)品的加工。在加工不同種類(lèi)的零件時(shí)，不需要調(diào)整機(jī)床，只需要更換加工程序即可，在控制面板中輸入相應(yīng)的程序即可按照相應(yīng)的工序進(jìn)行操作，有效縮短了生產(chǎn)周期，減少了更換裝備的時(shí)間。數(shù)控機(jī)床是以數(shù)字信號(hào)的形式進(jìn)行生產(chǎn)控制，在加工過(guò)程中還能夠?qū)?gòu)件之間的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高加工精度，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的加工質(zhì)量。數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化生產(chǎn)方式有效的提高了生產(chǎn)效率，在進(jìn)行相應(yīng)的工藝改進(jìn)后，能夠在一臺(tái)機(jī)床上進(jìn)行多道工序的連續(xù)加工，減少了工序轉(zhuǎn)換的時(shí)間。由于數(shù)控機(jī)床是按照設(shè)計(jì)好的程序進(jìn)行加工，在輸入程序后啟動(dòng)，機(jī)床就能夠自動(dòng)連續(xù)加工，所以大大降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。但是對(duì)操作人員的技術(shù)水平有了更高的要求，操作人員應(yīng)該熟練掌握程序的輸入、編輯、零件裝卸、刀具準(zhǔn)備、加工狀態(tài)的觀測(cè)以及零件的檢驗(yàn)等工作，才能夠確保機(jī)床加工的高效運(yùn)行。

3D 打印技術(shù)為增材制造形式，這種加工方式成形速度快，成本便宜，操作簡(jiǎn)單，所以在我國(guó)現(xiàn)代生產(chǎn)中應(yīng)用較為普遍。與傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)相比，3D 打印技術(shù)脫離了刀具、夾具等配套工具的使用，能夠?qū)崿F(xiàn)多種類(lèi)型加工制造，并且能夠在每種加工程序之間自由轉(zhuǎn)換，在生不同零件時(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。產(chǎn)品制造的數(shù)字化、智能化程度較高，零件設(shè)計(jì)、建模、分層、工藝設(shè)計(jì)、生成路徑、導(dǎo)入控制系統(tǒng)、制造加工一系列的工作程序都可以在計(jì)算機(jī)中操作，效率較高。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，因?yàn)榭焖偃刍湍Y(jié)使得加工完的零件在組織上更加緊密均勻，不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)制造中的組織缺陷，提高了材料的強(qiáng)度、塑性和耐腐蝕性。因?yàn)樘厥獾募庸し绞?，可以?shí)現(xiàn)任意方式和結(jié)構(gòu)的組合，尤其適用于內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的零件加工。

2 、數(shù)控機(jī)床與 3D 打印一體化制造技術(shù)

2.1 數(shù)控機(jī)床與 3D 打印一體化制造的必要性

因?yàn)閿?shù)控機(jī)床加工和 3D 打印技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為了滿(mǎn)足我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的需求，可以將兩種技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)彼此的缺點(diǎn)，從而達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的目的，最終提高零件的加工效率和加工質(zhì)量。將數(shù)控機(jī)床與 3D 打印技術(shù)結(jié)合可形成復(fù)合機(jī)床，在一臺(tái)機(jī)床上就能夠?qū)崿F(xiàn)兩種技術(shù)的應(yīng)用。在復(fù)合機(jī)床中，可以將數(shù)控加工中削減的材料經(jīng)過(guò)一定的處理后用于 3D打印的原材料，同時(shí)經(jīng)過(guò) 3D 打印后的零件又可以利用數(shù)控技術(shù)進(jìn)行精度和表面光滑度的處理，有效的避免了兩種技術(shù)的局限性。數(shù)控機(jī)床與 3D 打印的一體化制造技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)加工方式的一種顛覆，將“加法”與“減法”結(jié)合使用，其所創(chuàng)造的價(jià)值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩種技術(shù)的簡(jiǎn)單疊加。將兩種技術(shù)結(jié)合后的復(fù)合機(jī)床可大大的減少材料的浪費(fèi)，可以實(shí)現(xiàn)材料的循環(huán)利用，在工廠內(nèi)部或者生產(chǎn)過(guò)程中就能夠?qū)崿F(xiàn)物料的循環(huán)，提高資源的利用率，降低對(duì)環(huán)境的污染。復(fù)合機(jī)床的操作更加簡(jiǎn)便，操作人員只需要在一個(gè)工作站就能夠處理整個(gè)加工流程，簡(jiǎn)化了工序。因?yàn)樵趶?fù)合機(jī)床中可以實(shí)現(xiàn)兩種技術(shù)操作，所以總體投資要比購(gòu)買(mǎi)兩臺(tái)設(shè)備低很多。可以生產(chǎn)的零件在總體上具有更高的性?xún)r(jià)比，不僅成本有所降低，且零件的性能會(huì)有所增強(qiáng)。

2.2 數(shù)控機(jī)床與 3D 打印一體化制造的應(yīng)用

數(shù)控機(jī)床與 3D 打印的一體化制造技術(shù)是滿(mǎn)足制造業(yè)高端制造要求的必然產(chǎn)物，將兩種技術(shù)的融合應(yīng)用而研發(fā)的復(fù)合機(jī)床，能夠進(jìn)一步提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，為復(fù)雜零件制造與維修提供良好的解決方案?，F(xiàn)階段，世界上已經(jīng)有部分國(guó)家研發(fā)出了復(fù)合機(jī)床，并且在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。比如馬扎克公司研發(fā)的一款復(fù)合機(jī)床為客戶(hù)提供了一種與傳統(tǒng)零件設(shè)計(jì)、加工方式完全不同的技術(shù)，適用于加工小批量、難加工材料的產(chǎn)品，比如在航空航天領(lǐng)域的耐熱合金零部件、能源領(lǐng)域高硬度材料工具和零部件、醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域高精度特種合金零部件，這些都是工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)零部件加工有較高要求的行業(yè)，復(fù)合機(jī)床在這方面的制造技術(shù)可有效滿(mǎn)足制造要求。在這款機(jī)床中可以提供高速或高精度兩種熔覆頭，在主軸上安裝的熔覆頭可以自動(dòng)切換。在實(shí)際應(yīng)用中，用戶(hù)可以根據(jù)加工零件的形狀、加工條件以及金屬粉末的材料來(lái)決定使用哪種熔覆頭。這款機(jī)床可以進(jìn)行全面的五軸車(chē)銑復(fù)合加工，B 軸擺動(dòng)幅度較大，對(duì)于多棱體鍛件或鑄件、回轉(zhuǎn)體零件以及結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的異形件，都能夠輕松實(shí)現(xiàn)。這種復(fù)合機(jī)床的應(yīng)用，既減少了數(shù)控加工中對(duì)材料的浪費(fèi)以及難以完成復(fù)雜零件的加工，同時(shí)又改善了 3D打印表面平滑度的問(wèn)題，尤其適用于對(duì)加工要求較高的工業(yè)領(lǐng)域。

2.3 復(fù)合機(jī)床發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

將數(shù)控機(jī)床與 3D 打印進(jìn)行一體化制造的復(fù)合機(jī)床，雖然優(yōu)點(diǎn)較多，但同時(shí)也存在一定的缺陷。在數(shù)控機(jī)床加工中需要使用切削液，而在加工過(guò)程中殘留的切削液如果與 3D 打印使用的顆?；旌虾螅赡軙?huì)對(duì)激光束的吸收率和襯底內(nèi)填充材料的稀釋產(chǎn)生一定的影響。而在 3D 打印過(guò)程中使用材料中的粉末可能會(huì)對(duì)機(jī)床的導(dǎo)向系統(tǒng)產(chǎn)生一定的磨損，所以要做好相應(yīng)的防范措施。在熱處理過(guò)程中，添加的材料如果受到加熱和冷卻熱循環(huán)的影響，在材料中可能產(chǎn)生殘余應(yīng)力，而這部分殘余應(yīng)力如果在后續(xù)加工中釋放出來(lái)，就會(huì)對(duì)零件幾何形狀的精度產(chǎn)生一定的影響。這些都是一體化制造過(guò)程中可能面臨的問(wèn)題，所以還需要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)狀況不斷的改進(jìn)生產(chǎn)工藝，降低兩種技術(shù)之間相互的影響，最終提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

3、結(jié)語(yǔ)

數(shù)控機(jī)床與 3D 打印的一體化制造技術(shù)，實(shí)質(zhì)上就是增材制造與減材制造的結(jié)合應(yīng)用，兩種技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用可充分發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)，克服各自在生產(chǎn)中的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)資源的高效利用，縮短生產(chǎn)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。這種制造技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于我國(guó)面臨資源緊張、環(huán)境污染的形勢(shì)具有重要的意義，對(duì)于我國(guó)進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型升級(jí)具有一定的推動(dòng)作用。一體化制造技術(shù)需要在復(fù)合機(jī)床中實(shí)施，在實(shí)際執(zhí)行的過(guò)程中還會(huì)面臨很多的挑戰(zhàn)，但是通過(guò)研發(fā)人員的努力，一體化制造技術(shù)會(huì)越來(lái)越成熟，也為我國(guó)加工制造業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展開(kāi)辟了新的道路，也為我國(guó)向工業(yè)強(qiáng)國(guó)發(fā)展創(chuàng)造有利的條件。

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