论3D打印技术在机械自动化中的应用

论 3D 打印技术在机械自动化中的应用

于川

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摘要：3D打印技术的面世，其区别于传统加工的减材制造，采用增材堆积技术，这一加工技术是基于现有3D建模技术，通过算法对模型进行分层切片，得出单层数字轮廓坐标及高度Z轴坐标，然后驱动打印部件逐层叠加，最终多层“薄片”叠加形成实体。目前，3D打印技术在机械自动化行业之中已经得到了广泛的应用，前景良好，但也存在诸多局限性，需要做好对应的处理与推广工作。

关键词：3D打印技术；机械自动化；自动化技术

1关于3D打印技术的概述

1.1发展历程3D打印技术

虽然近年来日趋成熟，逐步得到认可，作为一种先进制造技术在部分领域被应用，尤其是计算机技术的发展极大的促进了这一技术的发展。20世纪90年代初期，美国学者查克赫尔提出了光固化3D成型技术，也称为立体光刻技术，三年后，第一台商业领域的同类3D打印机面世，同一年，其成立了3Dsystems公司。90年代末期，该公司其第一台产品SLA－250开始面向社会。同一时期，斯科特克鲁姆普提出了熔融沉积技术(FDM)，之后Stratasys公司成立。随着技术的日趋成熟，3D的打印的发展方向也日趋凸显，2012年，奥地利学者研制了高精度3D打印机，打印成功0．3mm赛车模型，3D打印设备的精度得到飞跃。同一年，苏格兰学者完成了第一例人造肝脏组织的3D打印。2019年，3D打印骨组织、心脏等人体组织器官面世。3D打印技术利用其高度定制化、低成本的特点是传统制造所不具备的，利用这一特色，3D打印技术在各个领域被应用和研究，也衍生出了多种3D打印方法。

1.2当前3D打印设备研究

基于不同的成型原理的3D打印技术也衍生出了不同3D打印设备，虽然，3D打印设备随着技术的进步，对于材料的适应性有所提升，但是3D打印设备的制造精度依旧无法达到和传统加工方式同一水平，所以，设备方面的研究也是3D打印技术的应用和研究的关键，笔者整理了近一两年的额3D打印设备方面的研究现状，其研究主要围绕提升精度、力学性能等方面，进行如下阐述。算法方面的研究，3D打印的关键点通过算法处理得到模型的加工坐标，直接决定了加工精度和加工路径，间接影响了设备的寿命和精度。针对算法的研究逐步提升，北京工业大学王卓在文中提出了一种模型的基于三角面片的切片算法和复合轨迹扫描算法，前者通过单次求解，提高交效率，并优化准确性，后者减少了送料电机的通断电次数，能有效提高设备寿命和效率。大连理工大学张文怀提出了一种路径规划算法，通过根据3D打印机控制参数对路径规划进行优化和调整，提高3D打印的成品质量和成品率。河北工程大学魏效玲等在文中提出了一种通过Z轴方向特征曲线优化模型外轮廓曲线，避免了STL文件的信息缺失，提高打印精度。四川大学韩兴国等在文中提出了一种蚁群算法优化模型外形轮廓，提升打印精度和表面质量，同时提升效率。

2目前3D打印技术在机械制造自动化的应用

2.1机械制造类学科教学

针对较为复杂的零部件及精密机械设备，只有虚拟的视频或图片是难以为学生详细呈现和讲解的。3D打印技术则能根据实物图便捷、精确地将各种各样的机械模型打印出来，这样的机械模型能够成为机械制造类专业教师良好的教具，让学生更直接地观察，产生直观印象，加深知识理解^[1]。不过当下这一辅助教学方式尚未大范围应用和推广，制约因素主要体现在两个方面:一个是机械制造类专业教师相对比较熟悉三维建模软件，可以利用相关软件有效地制作三维实体图并标注，再利用3D打印机进行实体模型的制作;另一个是应用范围受限，在机械制造类专业学科教学中使用的3D打印机无法量产，即便是专业教学模型也缺少大的市场空间。所以3D打印技术在机械制造类专业教学中的辅助应用还需要进一步探索。

2.2机械制造科学研究

开展机械制造领域的科学研究工作是生产力得以提升的重要方式，加大工业科学研究力度是科学工作者的责任和使命。3D打印技术是很重要的一项科技成果，应在科学研究中得到广泛的应用。针对机械制造科学研究，应用3D打印技术能够大大简化建模流程，帮助研发人员节省更多时间，通过打印实物模型把握工作进度，使科研产品的市场化推广效率更高。

2.3修复复杂的设备

在机械制造技术的研究与发展中，工业设备越来越复杂。机械设备零部件关系复杂直接影响着设备的整体运转，一旦部分零件损坏，维修难度较大。一些研究者运用3D打印技术手段创新激光成形修复技术^[2]。3D激光成形修复技术通过优化修复技术的成形部分，提升修复技术的先进性，并且这一技术使三维成形技术、表面强化技术融合在一起，修复复杂的机械设备时不再单纯使用同种材料。所以3D成形修复技术使机械设备维修工作效率有了一定的提升，让机械设备的运转更加高效，提高工业生产效率。考虑到机械设备类型多样，运行也较为复杂，目前市场上还没有针对特定零部件和设备的3D成形修复技术，3D激光成形修复技术也处于研究开发阶段，其实际应用和推广还需要时间。

2.4快速制造机械模型

机械设备的体型往往较大，运往不同地区时不仅成本较高，还容易损坏。如果在产品展示交流环节使用机械模型，就能在充分展示机械设备特征的同时节省运输成本。在3D打印技术进入市场推广以前，制作机械模型是对其经济价值最显著的体现，也最容易实现^[3]。在构建机械模式的过程中，3D打印技术不仅可以缩小体型庞大的、结构复杂的机械设备产品进行展示、运输，还能放大体型较小、结构精密的复杂零部件，方便人们观察、学习。

3未来3D打印技术发展趋势

3.1应用领域多样化

3D打印技术随着发展已经不局限于加工领域，近十年来，越来越多的领域引入3D打印技术研究和应用，2017～2020年，我国的3D打印规模增长速度高于全球增长的平均速度，预计2022年将达到360亿元的规模，这将极大的促进3D打印技术的发展。

3.2打印设备及材料专用化

3D打印技术在各个领域开展大量研究的同时也暴露了设备和材料的不适应问题，虽然经过多年发展，在材质上基本可分为塑料和金属两类，打印机也针对这两类材质进行开发了多种不同成型方式的3D打印机^[4]。但是，近年来在建筑和生物医疗领域的应用，这两方面的问题就成为限制其发展的瓶颈，这也说明作为一种革命性先进制造技术，通用类3D打印机显然在很多领域难以达到使用要求，所以在设备和材质应更加专用化，提高3D打印制件的性能，满足不同应用场景和领域的需求。

结语：

基于科学技术的发展，工业生产机械化水平得到极大的提升，能够更加便捷地应用打印技术。在优化机械制造工艺的过程中，结合3D打印技术，机械自动化领域生产制造技术的先进性、精确度等都实现了明显的提高。因此，3D打印技术已经得到很多关注和重视，也成为制造业今后应用和发展的主要方向，希望通过本文的分析与研究能够对3D打印技术有更全面的认识与了解，使3D打印技术在机械自动化之中得到更广泛的应用。

参考文献：

[1]代东洪.3D打印技术在机械自动化领域的应用研究[J].现代制造技术与装备,2020(05):201-202.

[2]刘雪原.机械自动化领域中的3D打印技术应用研究[J].内燃机与配件,2019(22):200-201.

[3]徐冰.3D打印技术在机械自动化领域的应用[J].黑龙江科学,2019,10(18):74-75.

[4]王智昊.3D打印技术在机械自动化领域的应用[J].电子技术与软件工程,2018(01):105.