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數控機床與 3D 打印一體化製造（zào）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（chuáng）技術和 3D 打印技術作為兩種不同的加工方式，在（zài）加工生產（chǎn）中都有各（gè）自的優缺點。為了滿足高（gāo）端製造的需求，可將 3D 打印的增材製造技術與數控機床的減材製造技術相結合，充分發揮兩種製造技術的優勢。文章首先闡述了數控機床加（jiā）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（jī）床與 3D 打印一體化製造技術進行分析，為促進我國工業生產水平的進一步提升奠定（dìng）良好的基礎。

關鍵詞：數控（kòng）機床；3D 打印；一體化製造；集（jí）成製（zhì）造

0 引言

隨著我國工業生（shēng）產（chǎn）水平的提高，對零（líng）件加工的技術水平提出了更高的要求。數控機床作為典型的機電一體化加工設備，在促進我國工業生產的發展中（zhōng）發揮了重要的作用（yòng）。沒有任何（hé）一種加工方式（shì）是完美的，數控機床為（wéi）減材製造方式，所以在加工過程（chéng）中會產（chǎn）生大量的碎屑（xiè）垃圾，不僅造成資源的（de）浪（làng）費，而且會對（duì）環境（jìng）造（zào）成一定（dìng）的汙染。而3D 打印技術的出（chū）現，是對傳（chuán）統加工形（xíng）式的一種創新，其融合了計（jì）算機輔助設計、材料加（jiā）工與成形技術，以數字模型文件為基礎，利（lì）用軟件與數控係統將專用材料以特有的方（fāng）式進行逐層堆積，最終製造（zào）出實（shí）體物品，稱為增材製造。數控（kòng）加工技術（shù）和 3D 打印技術在加工方式上完全（quán）相反，為了最大化的發揮兩種加工方式的優勢，可以將兩種加工方式結合應用，不僅能夠降低製造時間（jiān）和成本，還能夠提高（gāo）產（chǎn）品的（de）製造質量，進一步提升（shēng）我國加工製造業的水平。

1、數控機床與 3D 打印分析

1.1 數控機床與 3D 打（dǎ）印（yìn）概念

數控（kòng）機床是典型（xíng）的機電一體化生產（chǎn）設備，在促進我國零件加工的自動化生產中發揮了（le）重要作用。數控機床（chuáng）主要是按照加工（gōng）需求將加工工藝進行編程處理，然後將程序輸入到控製中心，通過控製中心控製（zhì）機械設備執（zhí）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（de）產品。數（shù）控機床（chuáng）在加工過程中，利用傳感器等設備能夠對整個加工過程進（jìn）行監（jiān）控，以（yǐ）及時調整機械設備（bèi）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（yǒu）靈活（huó）性和通用性的特點，且加工精度較高，在航天航空等（děng）精密零件（jiàn）加工中（zhōng）應用也（yě）較為廣泛。

3D 打（dǎ）印技術改變了傳統的加工製造方式（shì），其采用的增材製造技術能夠完成很多結構（gòu）複雜的零件加工。首先利用計算機（jī）軟件將三維實體模型按照一定的厚度（dù）進行切片分層，然（rán）後將零件的 3D 形狀信息（xī）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（shùn）序填充路徑。在實際市場（chǎng）的過程中，會將這些路徑信息導入到打印機控製係統中，打印機即可按照填充路徑將填（tián）充材料（liào）熔化堆（duī）積，在每層達到一定（dìng）的填充厚（hòu）度後再（zài）進行下一層的填充，最終形成（chéng）三維實體（tǐ）工件。3D 打印技術實質上就是將打印（yìn）材（cái）料一層層的疊加起來的，所以（yǐ）能夠（gòu）完成（chéng）難（nán）度較大的（de）零（líng）件加工。隨著這（zhè）項技術的發展，可利用的材料種類越來越多，應用領域也越來越廣泛（fàn），對促進我國工業生產的發展起到了重要的推動作用。

1.2 數控機（jī）床與 3D 打印的特點

我國工業生產中的製（zhì）造方（fāng）式（shì）經曆了等材製造（zào）、減材製造和增材製造三個階段，每個（gè）階段都是一種技術上（shàng）的創新和改革。等材製造主要是（shì）指在（zài）加工前後材料的重量基本不變，比如鑄造、鍛造、焊接等生產方式。減材製造是指通過對材料（liào）進（jìn）行切削加工，最終達到設計形狀的加（jiā）工方式，比（bǐ）如使用（yòng）車、銑、刨、磨等設備對材料進行切削加工。增材（cái）製造主要是指通過光固化、選（xuǎn）擇性激光燒結、熔融堆積等技術，以逐漸增加（jiā）原料的形式加工成設計形狀，比如 3D 打印技術。這一係列過程的（de）變遷，充分（fèn）的展現了（le）我國工業加工技（jì）術的發展，不僅是生產加工理念和模式的轉變，同時也大幅降低了加工成本（běn）和時間，降（jiàng）低了能源消耗，提高了生產效率。

數控機床加工形式為（wéi）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（zhōng）製造成設計的形狀。因數控機床的自動化（huà）和智能化程度較高，所以對加工對象有（yǒu）較強的適應性，不僅能（néng）夠批量生（shēng）產，而且適用於單件或小批量產品的加工。在加工不同種類的零件時（shí），不需要調整機床，隻需要更換加工程序即可，在控製（zhì）麵板中輸入相應的程序即可按照相應的工（gōng）序進行操（cāo）作，有效縮短了（le）生（shēng）產周期，減少了更換裝（zhuāng）備的時間（jiān）。數控機床是以數字信號的形式進（jìn）行生產控製（zhì），在加工過程中還能夠對構件之（zhī）間的誤差進行補償，從而提高加工精度，能夠實現穩定的加工質量。數控機床的自動化生產方式有效的提高了生產效率，在進行相應的工藝改進後，能夠在一（yī）台機床上進行多道工序的連續加工，減少（shǎo）了工序轉換的時間。由（yóu）於（yú）數（shù）控機床是按（àn）照設計好（hǎo）的程序進（jìn）行加工，在輸（shū）入程序（xù）後啟動，機床（chuáng）就能夠自動連續（xù）加（jiā）工，所以大大（dà）降低了操作人員（yuán）的勞（láo）動（dòng）強度（dù）。但是對操作人員的技術水平有了更（gèng）高的要求，操作人員應該熟（shú）練（liàn）掌握程序的輸入、編輯、零件裝卸、刀具準備、加工狀態的觀測以及零件的檢驗等工作，才能夠確保機床加工的高效運行。

3D 打印技術為增材製造形式，這種加（jiā）工方式成形（xíng）速度快，成本便宜，操作簡單，所以在我（wǒ）國現（xiàn）代生產中應用較為普遍。與傳統的減材製造技術相比，3D 打（dǎ）印技術脫離了刀具、夾（jiá）具等（děng）配套工具的使用，能夠實現多種類型加（jiā）工製造，並且能夠在每種加工程序之間自由轉換（huàn），在生不同零件時，隻需要調用不（bú）同的文件即可。在產品研究周期上相對較短，隻需要利用計算機軟件進行零件設計，然後即可投入使用，尤其是對（duì）於新品的研發試產具有重要意義，可大大（dà）減少減材製造的工序。產品製造的數字化、智（zhì）能（néng）化程度較高，零件設計、建模、分層、工（gōng）藝設計、生成路徑、導入控製係（xì）統、製造加工一係列的工（gōng）作程序都可以在計算機中操作，效率較高。在實際生產過程中，因為快速熔（róng）化和凝結使得加工完的（de）零件在（zài）組織上更加緊密均勻，不會出現（xiàn）傳統製造中（zhōng）的組（zǔ）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，尤其適用於內（nèi）部結構（gòu）較為複雜的零件加工。

2 、數控機（jī）床與 3D 打印一體化製造技術

2.1 數（shù）控機床與 3D 打印一體化製（zhì）造的必要性

因（yīn）為數控機床加工和 3D 打印技術都有各自的優缺點，為了滿足我國工業生（shēng）產的需求，可（kě）以（yǐ）將兩種技術結合應用，充分發揮二（èr）者（zhě）的優勢，彌補（bǔ）彼此的缺點，從而達到（dào）優勢互補的目的，最終提高零件的加（jiā）工效率和加（jiā）工質量。將數控機（jī）床與 3D 打印技術結合可形成複合機床，在一台機床上就能夠實現兩（liǎng）種（zhǒng）技術的應用。在複合機床中，可以將數控加工中削減的材料經過一定的處理後用（yòng）於 3D打印的原材料，同時經過 3D 打印後的零件又可以利用（yòng）數控技術進行精（jīng）度和表麵光滑度的處理，有效的避免了兩種技術的（de）局限性。數控機（jī）床（chuáng）與 3D 打印的一（yī）體化製造（zào）技術是對傳統加工方式的一種顛覆（fù），將“加（jiā）法”與“減法”結合使用，其所創造的價值要遠遠大於（yú）兩種技術的簡單疊加（jiā）。將兩種技術結合後的複合機床可（kě）大大的減少材料的浪（làng）費，可以實現材料的循（xún）環利用，在工廠內部或者生產（chǎn）過程中就能夠（gòu）實現物料的循（xún）環，提高資源的利（lì）用率（lǜ），降低（dī）對環（huán）境的汙染。複合機床的（de）操作更加簡便（biàn），操（cāo）作人員隻需（xū）要在一個（gè）工作站就能夠處理整個加工（gōng）流程，簡化了工（gōng）序。因為在複合機床中可以實現兩種技術操作，所以總體投資要比購（gòu）買兩台設備低很多。可以生產的零件在總體上（shàng）具有更高的性價比，不僅成本有所降低，且零（líng）件的性能會有所增強。

2.2 數控機床與（yǔ） 3D 打印一體化製造的應用

數控機（jī）床與 3D 打印的一體化製造技術是滿足（zú）製造業（yè）高端製造要求的必然產物，將兩（liǎng）種技術的融（róng）合應用而研發的複合機床，能夠進一步提高企業的（de）市場競爭力（lì），為複（fù）雜零件製造與維修提供（gòng）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，並且在實際應用中取得了良好的效果。比如馬紮克公司研發的一款複合機床為客戶（hù）提供了一種（zhǒng）與傳統零件設計、加工方式完（wán）全不同的（de）技術，適用於加工小批量、難加工材料（liào）的產品（pǐn），比（bǐ）如在航空航天領域（yù）的耐熱合金零（líng）部件、能（néng）源領域高硬（yìng）度材料工具和零部（bù）件、醫療設備領域高精度特種合金零部件（jiàn），這些都是工業生產中對零部件加工（gōng）有較高（gāo）要求的行業，複合機床在這方麵的（de）製造（zào）技術可有效滿足製造要求。在（zài）這（zhè）款機床中（zhōng）可以提供高速或高精度兩種（zhǒng）熔覆頭，在主軸（zhóu）上安裝的熔覆（fù）頭可以自動切換。在實際應用中（zhōng），用戶可以（yǐ）根據加工零件的形狀、加（jiā）工條件以及金屬粉末的材料來決定使用哪種熔覆頭。這款機床（chuáng）可以進行全麵的五軸車銑複合加工，B 軸擺動幅度（dù）較大，對（duì）於多棱體鍛件或鑄件、回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（zhè）種複合機床的應（yīng）用，既減少了數控加工（gōng）中對材料的浪費以及難以完成複雜零（líng）件的加工，同時又改善了 3D打印表麵平滑度的問題，尤（yóu）其適（shì）用於對加工要求較高的工業領域。

2.3 複合機床發展麵臨的挑戰

將數控機床與 3D 打印進行一體化（huà）製造的複合（hé）機床，雖然優點較多，但（dàn）同時也存在一定的缺陷。在數控（kòng）機床加工中需要使用切削液（yè），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，可能會對激光束的吸收率和襯底內填（tián）充（chōng）材料的稀釋產（chǎn）生一定的（de）影響。而在（zài） 3D 打印過程中使用材料中的粉末可能會對機床的導向係統產生一定的磨（mó）損，所（suǒ）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（dào）加（jiā）熱和冷卻熱循環的影響，在材料中可能產生殘餘應力，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（chǎn）生一定的影響。這（zhè）些都是一（yī）體（tǐ）化製（zhì）造過程中可能麵臨的問題，所以還需要根據實際生產狀況不斷的改進生產工藝，降低兩種技術之間（jiān）相互的（de）影響，最（zuì）終提高生產效率和質量。

3、結語

數控機床與 3D 打印的（de）一體化製造技（jì）術，實質（zhì）上就是增材製造與減（jiǎn）材製造（zào）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（kè）服（fú）各自在生產中的缺點，實現資源的高效利用，縮短生產時（shí）間，提高生產效率。這種製造技術的應用（yòng）對於（yú）我國麵臨資（zī）源緊張、環境汙染（rǎn）的形勢具有重要的意義，對（duì）於我國進行工業生產的轉型升級（jí）具有一定的（de）推動（dòng）作用。一體化製造（zào）技術需要在（zài）複合機床中（zhōng）實施，在實際執行（háng）的過（guò）程中還會麵（miàn）臨很多的挑戰，但是通過研發人員的努力，一體化製造技術會越來（lái）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（lù），也（yě）為我國向工業強國發展創（chuàng）造有利（lì）的條件。

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