3D 打印技术在机械制造中的应用探究

卞晨

（安徽省春谷3D 打印智能装备产业技术研究院有限公司，安徽 芜湖 241200）

社会经济新常态背景下，机械制造已经进入成熟期，整体需求趋于饱和，市场处于供大于求的状态。此种情况下，企业方面依旧保持传统的生产模式，规模化生产，势必会造成产能过剩，而产能过剩会拖累企业，导致企业现金流日渐减少，无法应对当前全球经济下行状况，致使企业发展状况不佳。3D 打印技术为企业提供了良好的思路，精准引用该项技术，创新机械制造工作模式，解决企业产能过剩问题，也促使企业所生产的产品向精品化、定制化、个性化转变，更好地满足客户需求，带动企业以及整个机械制造行业的良好发展。

1 3D 打印技术的概述

3D 打印技术又被称为增材制造技术，它是一种迅速成型的技术手段。在具体应用的过程中，以计算机技术为基础，创建3D 数字模型，之后将3D 实体模型切割成多个平面图，利用粉状且不可黏合的原料进行逐层打印。简单来讲，3D 打印技术就是将不同材料打印成薄层，之后逐层积累，形成三维立体物品。随着科学技术的蓬勃发展，近年来，3D 打印技术种类较多，并且不同种类的3D 打印技术的应用优势不尽相同，能够满足不同机械制造需求，大大提高机械制造水平。比如，熔融沉积成型技术，即为FDM 加工工艺；选择性激光烧结技术，即为SLS 加工工艺；立体光固化技术，即为SLA 加工工艺等等。但无论何种3D 打印技术的应用，都是从创建数字模型开始的，相关工作人员可以利用专业的应用软件进行数字模型创建，抑或扫描成型，也就是逆求工程。

3D 打印技术应用的关键是离散变量和堆积构思，也就是先利用CAD 系统进行数字模型创建，可利用UG、SolidWorks 等；之后对数字模型予以切片，也就是将数字模型求微积分获得每个轮廓面的形态，之后将数字模型导出来，3D 打印机能够识别电子器件格式文件；再对零部件进行逐级打印，也就是进行积分，如此即可实现从模拟到现实的转换。

增材技术就是运用可黏合材料，比如，粉末金属、塑料等，基于离散累加的原理，通过层层叠加的技术，将特定的三维坐标下的模型切片生成真实物体。该项技术之所以具有较高应用价值，主要是多学科理论及技术的支持，比如，数学建模、数学分析方法、图像处理与仿真技术、机电技术等等。总结性分析以往3D 打印技术尤其是在机械制造行业中应用较广的SLS 技术的操作实际情况，虽然其优势明显，但同时其局限性也比较明显，也就是在对金属粉末材料进行成型处理的过程中，容易出现材料堆叠控制问题，造成此问题产生的根本原因是在堆叠的过程中金属材料容易发生氧化反应，易形成裂纹、气孔等缺陷，导致实物的质量降低、性能下降；堆积层厚度也不易掌握，可能出现堆积层过厚的情况，导致实物表面不够光滑，精度降低，难以满足紧密零件制造要求。为此，研究分析激光器功率、扫描方式等工艺参数对金属3D 打印的质量的影响，开发适用于激光烧结的高质量专用金属材料，以提高打印件质量和精度，已成为增材制造技术的研究热点。

2 3D 打印技术在机械制造领域的应用优势

2.1 改善机械制造产能过剩情况

对近年来，我国机械制造领域发展的实际情况予以了解，其已经进入成熟期，市场上产品需求趋于饱和，而部分企业并没有准确把握市场供需关系，加之传统加工工艺应用下产品生产周期较长，为了满足实际供应，企业方面往往会扩大生产，进而出现供大于求的局面，致使企业方面存在产能过剩的问题，资金流难以回笼，无法拓展新业务或者应对突发状况，导致企业发展存在一定的不确定性，发展局势不佳。而将3D 打印技术应用于机械制造中，用以部分代替传统加工工艺，可缩短产品生产周期。此种情况下，企业方面可在接收到客户订单的情况下，根据客户的实际需求，利用3D 打印设备进行个性化产品生产加工，如此不仅可以满足客户的需求，还可以显著改善机械制造产能过剩的局面，促使企业轻库存，拥有较多的资金流，合理分配和应用资金，创造更大的价值，为本企业创造发展机遇，促进本企业持续且良好地发展。

2.2 节约机械制造空间，降本增效

回顾分析以往机械制造过程，要想完成高质量的产品生产，需要配备大型的机械设备，并且运用专用型磨具，这就需要制造企业创设较大的生产场地，创造较大的生产空间，方便加工工艺操作可以顺利展开，这也自然而然地提高了产品生产成本，压缩了产品的利润空间，难以实现利润最大化的目标。而将3D 打印技术应用于机械制造中，可以改变以往生产加工局面，所安装应用的3D 打印设备体积较小，对生产空间要求较低；又因为在3D 打印技术的支持下，企业易在产品设计阶段评估设计方案是否可行，及时发现设计方案存在的缺陷或不足，予以优化调整，进而按照可行的、有效的设计方案进行产品加工生产，保障产品质量、功能等方面均符合相关规范要求，具有较高的应用效率，避免返工处理，如此即可降低生产成本，即降本增效。

2.3 提高机械制造整体水平

回顾分析以往机械制造实际情况，常用的机械加工方法为车削加工和铣削加工等，加工工艺比较烦琐，需要消耗较长时间。而3D 打印技术应用于机械制造领域中，可弥补传统加工工艺的不足，利用计算机建模技术进行高难度设计建模，之后进行生产加工，可大大缩短产品生产周期，甚至几个小时内即可完成，如此大大提高了机械制造的工作效率。

3 3D 打印技术对机械制造领域的影响

无论是从理论还是从实践的角度来讲，3D 打印技术具有较高的应用价值，将其科学合理地应用于机械制造领域，可发挥积极影响，进一步提高机械制造水平，促进该领域发展朝着现代化方向迈进。具体而言，3D 打印技术对机械制造领域的影响表现在以下几方面。

3.1 优化调整机械制造领域的格局

我国进入新的历史时期，国际国内局势严峻、市场环境波动较大、社会环境复杂多变，这均给机械制造领域带来较大冲击和影响，比如，规模化、统一化产品需求缩减，个性化产品需求加大。此种情况下，制造企业依旧应用传统加工工艺，展开规模化的产品生产，产品销售量锐减，企业产能过剩，会拖累企业，一旦市场局势变化或政策调整等情况发生，那么企业难以应对突发情况，其未来发展堪忧。而将3D 打印技术应用于机械制造中，既可以支持产品试样验证，也能满足客户个性化需求，促使企业始终保持良好的运行状态，进而带动整个机械制造行业进步，有利于实现持续、健康发展目标。所以，从这方面来讲，高度重视并且积极引用3D打印技术，可促进机械制造领域的格局优化调整。

3.2 推动机械制造领域创新

无论是对于一个国家还是对于一个行业、一个企业而言，“创新”永远是原动力。而据不完全统计，机械制造领域长期保持某一发展局面，并没有更进一步的发展，这不仅不利于行业可持续发展，还会难以有效支持国民经济发展。经进一步分析，造成机械制造领域停滞不前的根本原因是创新不足，也就是企业方面技术创新不足或者技术应用状况不佳。随着我国科学技术的蓬勃发展，将3D 打印技术引入机械制造领域，可部分代替传统加工工艺，促进机械制造创新，一方面，可以解决以往机械制造存在的难题；另一方面，能够改变整个领域局面，助力机械制造企业及整个领域持续健康的发展。

3.3 提高机械制造智能化水平

科学技术蓬勃发展的背景下，我国社会发展方向悄然发生变化，逐渐朝着现代化、智能化的方向迈进。这就使得机械制造领域遭受较大的冲击和影响。将3D 打印技术应用于机械制造工作中，可充分利用计算机各类智能软件程序以对机械产品进行数字化设计及定型打印，实现智能化生产。机械制造行业因3D 打印技术的支持，势必实现智能化制造生产的转型升级，更科学高效地生产符合人们需求的机械产品。

4 3D 打印技术在机械制造中的应用

4.1 3D 打印技术与数控技术的结合

总结性分析3D 打印技术实际应用情况，其对技术人员的专业水平要求较高，对设备使用性能要求不是很高。为了提高3D 打印技术的应用效果，还应当与数控技术相结合。数控技术是一种材料还原技术，将该项技术应用于产品生产中，在最终产品成型后对其进行不断还原，提高其整体品质。产品生产制造中，增材技术与减材技术融合应用，可为批量生产产品提供标准的原始数据，既可以优化产品生产方案，又可以提高生产效率。

4.2 创新行业布局方面的应用

对以往机械制造中传统加工工艺应用实际情况予以了解和分析，不难发现，基本要素较多，并且每个基本要素都会影响机械制造工作，需要综合把控各个要素，才能够进一步提高机械制造的整体水准。但事实上很难做到这一点，主要是存在诸多限制条件，比如，提供的生产资金有限等。为了改变此种局面，应当将3D 打印技术应用于创新行业布局中，也就是顺应时代发展潮流，分析机械制造领域发展的新趋势，结合企业的资源，对机械设备制造工作予以创新布局，就需要深入了解企业内部实际情况，包括人力资源、部门设置情况、人力资源配备情况及业务推进情况等，综合考虑，优化调整，提高企业内部控制的整体水平，可以科学合理地配置和利用资源，支持机械设备制造工作创新。为了促使3D打印技术可以深度融合在机械设备制造工作创新中，应当坚持与时俱进的技术理念，科学合理制定工作流程，以便充分发挥3D 打印的技术优势，提高产品的生产效率，保证所生产的产品满足客户需求，逐步扩大市场占有率，创造更高的经济效益。

4.3 汽车领域中的应用

3D 打印技术应用于汽车领域中，对于汽车产品生产制造有积极的促进作用，可以进一步提高汽车的产品质量。当然，要想保障3D 打印技术的作用充分发挥，需要相关工作人员明确3D 打印技术应用流程，规范合理地展开汽车产品制造。具体做法如下。

（1）智能化建模。通常情况下，汽车领域生产制造包括实体线建模和斜面建模。前者更适用于标准外形的零部件生产，后者更适合结构复杂的内部结构件生产。为了保障建模标准，应使用的是Pro/E、SolidWorks、UG 等绘图工具，对具体需要3D 打印的汽车零部件如某型号规格的轮毂开展3D 造型设计制作，及三维设计效果图渲染，导出为Stl 文件格式。（2）切片解决。通过切片软件对数字模型按照某※一轴方向进行离散处理，获得二维平面数据，利用3D打印机来打印每一层。这一过程中，需要科学合理地设置层厚、激光功率、扫描速度等参数，提高数据分层的品质，也即对STL 模型进行拟合切片。

（3）产品打印。打印成型是最为关键的环节，为避免出现错误，应当选择适合的成型技术及配套设备，根据金属3D 打印机的配置，合理调节机器打印工艺参数，进而对铝合金型材予以3D 打印。

5 结语

综上所述，新时代背景下，机械制造中传统机械加工工艺的弊端逐渐暴露出来，难以满足当前及未来越来越定制化、个性化的生产需求。此种情况下，为了提高产品生产水平，满足市场需求，也为了促进机械制造领域持续健康的发展，应利用3D 打印技术部分代替传统机械加工工艺，准确把握其应用原理，明确其工作流程，将其有效地应用于创新行业布局中、汽车领域以及与数控技术结合应用领域等，可创造更大的价值。所以，无论是从理论还是从实践的角度来讲，新时代背景下，机械制造领域中高度重视并且有效应用3D 打印技术都是非常有意义的。