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數控機（jī）床與 3D 打印一體化製造技術分析

2021-2-19 來源：河南工業貿易職業學院作者：黨霞

摘要：數控機床技術和 3D 打印技術作為兩種不同的加工方式，在加工生產中都有各自的優缺點。為了滿足高端製造的需求，可將 3D 打印的增材製造技術與（yǔ）數控機床（chuáng）的減（jiǎn）材製造技術相結合，充（chōng）分發揮兩種製造技術（shù）的優勢。文章首先闡（chǎn）述了（le）數控機床加工與 3D打印一體化製（zhì）造技術結合應用的優勢，然後對數控機床與 3D 打印一體化製造技術（shù）進行（háng）分析，為促進我國工業生產水（shuǐ）平的進一步提升（shēng）奠定良好（hǎo）的基礎。

關鍵詞：數控機床；3D 打印；一體化製造；集成製造

0 引（yǐn）言（yán）

隨著我國工業生產水平的（de）提高，對零（líng）件加工的技術水平提出了更高的要求。數控機床作為典型（xíng）的機電一體化加工設備，在促進我國工業生產的發展中發揮了重（chóng）要（yào）的作用。沒有任何（hé）一種加（jiā）工方（fāng）式是完美的，數控機床為減材製造（zào）方式，所以在加工過程（chéng）中會（huì）產生大量的碎屑垃（lā）圾，不僅造成資源的（de）浪（làng）費，而且會對環境造（zào）成一定的汙染。而3D 打印技術的出現（xiàn），是對傳統加工（gōng）形式的一（yī）種創新，其融合了（le）計算機輔助設計、材料加工與成形技術，以數字模型文件（jiàn）為基礎，利用軟件與數控係統將專用（yòng）材料以特有的方式進行逐層堆積，最終製造出實體物品，稱為增材製造。數控加工技術和 3D 打印技術在加工方式上完全相反，為了最（zuì）大化的發揮兩種加工方式的優勢，可以將兩種加工方（fāng）式結合（hé）應用，不僅能夠降低製造時間和成本，還能夠提高產品的製造質量，進一（yī）步提升（shēng）我國加工製（zhì）造業的水平。

1、數控機床與 3D 打印（yìn）分析

1.1 數控機床與 3D 打印概念

數控機床是典型的機電（diàn）一體化生產設備，在促進我國零件（jiàn）加工（gōng）的自動化生產中發揮了重要作用。數控（kòng）機床主要是（shì）按照加工需求將加工工藝進（jìn）行編程處理，然後將程序輸入（rù）到控製中心，通過控製中心控製機械設備執行操作。數控機床在加工方式上講屬於減材製造，通過對原材料的切削等處理，最終得到想要的產（chǎn）品。數控機床在加工過程中，利用傳感器（qì）等設備能夠對整個加工過（guò）程進行監（jiān）控（kòng），以及時調整機械（xiè）設備的運行軌跡，確保零件加工的精準度和可靠性。數控係統具有靈活性和通用性的特點，且加工精度較高，在航天航空（kōng）等精密零件加工中應用也較（jiào）為廣泛。

3D 打印技術改變了傳統的加工製造（zào）方式，其采用的增材製造技（jì）術能夠完成很多結構（gòu）複雜的零件加工。首先利用計算機軟件將三維實（shí）體模型按照一定的厚度（dù）進行切片分層，然後將零件的 3D 形狀信息轉換成二維（wéi）圖形信息，再根據加工要求將每組二（èr）維圖形按照一定的順序填充路徑。在實際市場的過程中，會將這些路徑信息導入（rù）到（dào）打印機控製係統中，打（dǎ）印機即可按照填充路徑將填充（chōng）材料熔化（huà）堆積，在（zài）每層達（dá）到一定的填充（chōng）厚度後再進行（háng）下一層的填充，最終形成三（sān）維實體工件。3D 打（dǎ）印技術（shù）實質上就是將打印材料一層層的疊加起來的，所以能夠完成難度較大的零件加工。隨著這項技術的發展，可利用的材料種（zhǒng）類越來越多，應用領域也越來越廣泛，對（duì）促進我國工業生產的（de）發展起到了重要的推動作用。

1.2 數控機床與 3D 打印的特點

我國工（gōng）業生產中的製造方式經曆了等材製造、減材製造和增材（cái）製（zhì）造三個階段，每（měi）個階段都是（shì）一種技（jì）術上的創新和改革。等材製造主要是指在加（jiā）工前後材（cái）料的重量基本不變，比如鑄造、鍛造、焊接等生（shēng）產方式。減材（cái）製造是指通過對材料進行切削加工（gōng），最終達到設計形狀（zhuàng）的加工方式，比如使用車、銑（xǐ）、刨、磨等設備對材料進行切削加工。增材製造主要（yào）是指通過光固化、選擇性激光燒結、熔融堆（duī）積等技術，以逐（zhú）漸（jiàn）增加原（yuán）料的形式（shì）加（jiā）工成（chéng）設計（jì）形狀，比如 3D 打印技術。這一係列過程的變遷，充分的展現了我國工業加（jiā）工技術的發展，不僅是生（shēng）產加工理念和模式的轉（zhuǎn）變，同時也大幅降低了加工成本和時間，降低了能源（yuán）消耗（hào），提高了生產效（xiào）率。

數控機床加工形式為減材製造，在加工過程中利用刀具、夾具等對原材料進行切削，去掉多餘的部分，最終製造成設計的（de）形狀。因數控機床（chuáng）的自動化和智能化程度較高，所以（yǐ）對加（jiā）工對象有較強的適應性，不僅能夠批量生產，而且適用於單件或小批量產品的加工。在加工不同（tóng）種類的零件時，不需要調整機床，隻需要更換加工程序即可，在控製麵板中輸入相應的程序即可（kě）按照相應（yīng）的（de）工序進行（háng）操作，有效縮短了（le）生產周期，減（jiǎn）少了更換裝備的時間。數控機床是以數字信號（hào）的（de）形式（shì）進行生產控製，在加工過程中還能夠對構件之間的誤差進行補償，從而提高加工精度，能夠實（shí）現穩定的加工質量。數控機（jī）床的（de）自動化生產方式有效的提高了生產效率，在進行相應的工（gōng）藝改進後，能夠在一台機床上（shàng）進行多道工序的連續加工（gōng），減少了工序轉換的時間。由於（yú）數（shù）控機床是按（àn）照設計好的程（chéng）序進行加工，在輸入程序後啟動，機床就能夠自動連續加（jiā）工，所以大大（dà）降低了操作人員的勞動強度。但是對操作人員的技術水平（píng）有了更高（gāo）的要求，操作人員應該熟（shú）練掌握程序的輸入、編輯、零件裝卸、刀具準備、加工狀態的觀測（cè）以（yǐ）及零件（jiàn）的檢驗（yàn）等工（gōng）作，才能夠確保機（jī）床加工的高效運行。

3D 打印技術為增材製造形式，這種加工方式（shì）成形速度快，成本（běn）便宜（yí），操作簡單，所以（yǐ）在（zài）我國現代生產中應用較為普遍。與傳統的減材製造技術相比，3D 打印技術脫離了刀具、夾具等配套工具的使用，能夠實現多（duō）種類型加工製造，並且能夠在（zài）每種加工程（chéng）序之（zhī）間自由轉換（huàn），在生不同（tóng）零件時，隻需要（yào）調用不同的文件即可。在產品研究周期上相對較短，隻需要利（lì）用計算機軟件（jiàn）進（jìn）行零件設計，然後即可投入使用，尤其是對於新品的研發試產具有重要意義，可大（dà）大減少減材（cái）製造的工序。產（chǎn）品製造的（de）數字化、智能化程（chéng）度較（jiào）高（gāo），零（líng）件設計、建模、分層（céng）、工藝設計、生成路徑、導入控製係統、製造加工一係列的工作程序都可以在計算機中操作，效率較（jiào）高。在實（shí）際生產過程中，因為快速熔化和凝結使得（dé）加工（gōng）完的零件在組織上（shàng）更加緊密均勻（yún），不會出現（xiàn）傳統製造中的組織缺陷，提高了材料的強度、塑（sù）性和耐腐蝕性。因為特殊的加工方式，可以實現任意方式和結構的組合，尤其適（shì）用於內部結構較為複（fù）雜的零件加工。

2 、數控機床與 3D 打印（yìn）一體化製（zhì）造技術

2.1 數控機床與（yǔ） 3D 打（dǎ）印一體化製造的必要性

因為數控機床加工和 3D 打印技術都有各自的（de）優缺點，為了（le）滿足我國工業生產的需求，可以（yǐ）將兩種技術（shù）結合應用，充分發揮二（èr）者的優勢，彌補彼此的缺點，從而達到優勢（shì）互補的目的，最終提高零件（jiàn）的（de）加工效率和加工質量。將（jiāng）數控機床與 3D 打印技術結合（hé）可形成複合機床，在一台機床上就能夠實現兩種技術的應用。在複合機床中（zhōng），可以將（jiāng）數控加工中削減的材料經過（guò）一定的處理後用於（yú） 3D打印（yìn）的原材料，同時經過 3D 打印後的零件又可以利用數控技術進行精度和表麵光滑度的處理，有效（xiào）的避免了兩種技術的（de）局（jú）限性。數（shù）控機床（chuáng）與 3D 打印的一體化製造技術是對傳統加工方式的一種顛覆，將“加法”與“減法”結合使用，其（qí）所創（chuàng）造的（de）價值要遠遠（yuǎn）大於兩種技術的簡單疊加。將兩種（zhǒng）技術結合後的複合機床可大大的減少材（cái）料的浪費，可以實現材料的循（xún）環利用，在工廠內部或（huò）者（zhě）生產過程中（zhōng）就能（néng）夠實現物料（liào）的循環，提高資源的利用率，降低對（duì）環境的汙染。複合機床的操作更加簡便，操作人員（yuán）隻需要（yào）在一個工作站就能夠處理（lǐ）整個加（jiā）工流程，簡化了工序。因（yīn）為（wéi）在複合機床中可以（yǐ）實現兩種技術操作，所以總（zǒng）體投資要比購買（mǎi）兩台（tái）設備（bèi）低很多（duō）。可（kě）以生產的零件在總體上具（jù）有更（gèng）高的性（xìng）價比，不僅（jǐn）成本有所降低，且（qiě）零件的性能會有所增強。

2.2 數控機床與 3D 打印一體化製造的（de）應用

數控機床與 3D 打印的一體化（huà）製造技術是滿足製造業高端製造要求（qiú）的必然產物，將兩種技術的融合應用而研發的複合機床，能夠進一步提高企業的市場競爭力，為複雜零件製造與維修提供良好的解決方案。現階段，世界上已經有部分國家研發出了複合機床（chuáng），並且在實際應用中取得了良好的效（xiào）果。比如馬紮克公司研（yán）發的一款複合機（jī）床為客戶提供了一種與傳統零件設計、加工方式完全不同的技術，適用於加工小批量、難加工材料的產品，比如在（zài）航空航天領域的耐熱合金零部件、能源領域高硬度材料工（gōng）具和零部件、醫療設備（bèi）領域高精度特種合金零部件，這（zhè）些都是工（gōng）業生（shēng）產中對零部件（jiàn）加工有較高要（yào）求的行業，複合機床在這（zhè）方麵的製造技術可有效滿（mǎn）足（zú）製造要求。在這款機床中可以提（tí）供高速或高精度兩種熔（róng）覆頭，在主（zhǔ）軸上安（ān）裝的熔覆頭（tóu）可以自動切換。在實際應用（yòng）中，用戶可以根據加工零件的形狀、加工條件以及金（jīn）屬（shǔ）粉末的材（cái）料來決定使用哪種熔覆頭。這款（kuǎn）機床可（kě）以進行全（quán）麵的五軸車銑複合（hé）加工，B 軸擺動幅度較大，對於多棱體鍛件或鑄件、回（huí）轉體零件以及結構比較（jiào）複雜的異形件，都能夠輕鬆實現。這種複合機床的應用，既減少了數控加工中對材料（liào）的浪費以及難以完成複雜零件的加工，同（tóng）時又改善了 3D打印表麵平滑度的問題，尤其適用於對加工要求較高的工業（yè）領（lǐng）域。

2.3 複合機床發展麵臨的挑戰

將數控機床與 3D 打印進行一（yī）體化製造的複合（hé）機床（chuáng），雖然優點較（jiào）多（duō），但同時也存在（zài）一定的缺陷。在數控機床加工中需要使用切削液，而在加工過程中殘留的切削液如果與 3D 打印使用的顆粒混合後，可能會對激（jī）光束的（de）吸收（shōu）率（lǜ）和襯底內填（tián）充材料的（de）稀釋產生一定的影響。而在 3D 打印過程中（zhōng）使用材料中的粉末可能會對（duì）機（jī）床的導向係統（tǒng）產生一定的（de）磨損，所以要做好相應的防範措施。在熱處理過程中，添加的材料如果受到加熱和冷卻熱（rè）循環的影響，在材料中可能產生殘（cán）餘應力，而這部分殘餘應力如果在後續加工中釋放出來，就會對零件幾何形狀的精度產生一定的（de）影響（xiǎng）。這些都是一體化製造過（guò）程中可能麵臨的問題，所以還需（xū）要根據實際（jì）生產狀（zhuàng）況（kuàng）不斷的改進生產工藝，降低兩（liǎng）種技術之間（jiān）相（xiàng）互的（de）影響，最終提（tí）高生產效（xiào）率和質量。

3、結語

數控機床與 3D 打印的一體化製造技術，實質上就是增材製造（zào）與減材製造的結合應用，兩種技術的結合應用可充分發揮二者的優點，克服各自在生產中的缺點，實（shí）現資源的高效利用，縮短（duǎn）生產時間，提高（gāo）生產效率（lǜ）。這種製造技術的應用對於我國麵臨資源緊張、環境汙染的形勢具有重要的意義，對於我國（guó）進行工業生產的轉型升級具有一定的推動作用。一體化製造技術需要（yào）在複合機床中實施，在（zài）實際執行的過程中（zhōng）還會（huì）麵（miàn）臨很多的挑戰，但是（shì）通過（guò）研發（fā）人員的努力，一體化（huà）製造技術會越來越成熟，也為我國加工製造業的進一步發展開辟了新的道路，也為我國向工業強國發展創造（zào）有利的條件。

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