數控機床與 3D 打印一體化制造技術分析
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。為了滿足高端制造的需求，可將 3D 打印的增材制造技術與數控機床的減材制造技術相結合，充分發揮兩種制造技術的優勢。文章首先闡述了數控機床加工與 3D打印一體化制造技術結合應用的優勢，然后對數控機床與 3D 打印一體化制造技術進行分析，為促進我國工業生產水平的進一步提升奠定良好的基礎。
關鍵詞：數控機床；3D 打印；一體化制造；集成制造
0 引言
隨著我國工業生產水平的提高，對零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發揮了重要的作用。沒有任何一種加工方式是完美的，數控機床為減材制造方式，所以在加工過程中會產生大量的碎屑垃圾，不僅造成資源的浪費，而且會對環境造成一定的污染。而3D 打印技術的出現，是對傳統加工形式的一種創新，其融合了計算機輔助設計、材料加工與成形技術，以數字模型文件為基礎，利用軟件與數控系統將專用材料以特有的方式進行逐層堆積，最終制造出實體物品，稱為增材制造。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，不僅能夠降低制造時間和成本，還能夠提高產品的制造質量，進一步提升我國加工制造業的水平。
1、 數控機床與 3D 打印分析
1.1 數控機床與 3D 打印概念
數控機床是典型的機電一體化生產設備，在促進我國零件加工的自動化生產中發揮了重要作用。數控機床主要是按照加工需求將加工工藝進行編程處理，然后將程序輸入到控制中心，通過控制中心控制機械設備執行操作。數控機床在加工方式上講屬于減材制造，通過對原材料的切削等處理，最終得到想要的產品。數控機床在加工過程中，利用傳感器等設備能夠對整個加工過程進行監控，以及時調整機械設備的運行軌跡，確保零件加工的精準度和可靠性。數控系統具有靈活性和通用性的特點，且加工精度較高，在航天航空等精密零件加工中應用也較為廣泛。
3D 打印技術改變了傳統的加工制造方式，其采用的增材制造技術能夠完成很多結構復雜的零件加工。首先利用計算機軟件將三維實體模型按照一定的厚度進行切片分層，然后將零件的 3D 形狀信息轉換成二維圖形信息，再根據加工要求將每組二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到打印機控制系統中，打印機即可按照填充路徑將填充材料熔化堆積，在每層達到一定的填充厚度后再進行下一層的填充，最終形成三維實體工件。3D 打印技術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，可利用的材料種類越來越多，應用領域也越來越廣泛，對促進我國工業生產的發展起到了重要的推動作用。
1.2 數控機床與 3D 打印的特點
我國工業生產中的制造方式經歷了等材制造、減材制造和增材制造三個階段，每個階段都是一種技術上的創新和改革。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、焊接等生產方式。減材制造是指通過對材料進行切削加工，最終達到設計形狀的加工方式，比如使用車、銑、刨、磨等設備對材料進行切削加工。增材制造主要是指通過光固化、選擇性激光燒結、熔融堆積等技術，以逐漸增加原料的形式加工成設計形狀，比如 3D 打印技術。這一系列過程的變遷，充分的展現了我國工業加工技術的發展，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和時間，降低了能源消耗，提高了生產效率。
數控機床加工形式為減材制造，在加工過程中利用刀具、夾具等對原材料進行切削，去掉多余的部分，最終制造成設計的形狀。因數控機床的自動化和智能化程度較高，所以對加工對象有較強的適應性，不僅能夠批量生產，而且適用于單件或小批量產品的加工。在加工不同種類的零件時，不需要調整機床，只需要更換加工程序即可，在控制面板中輸入相應的程序即可按照相應的工序進行操作，有效縮短了生產周期，減少了更換裝備的時間。數控機床是以數字信號的形式進行生產控制，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后，能夠在一臺機床上進行多道工序的連續加工，減少了工序轉換的時間。由于數控機床是按照設計好的程序進行加工，在輸入程序后啟動，機床就能夠自動連續加工，所以大大降低了操作人員的勞動強度。但是對操作人員的技術水平有了更高的要求，操作人員應該熟練掌握程序的輸入、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 打印技術為增材制造形式，這種加工方式成形速度快，成本便宜，操作簡單，所以在我國現代生產中應用較為普遍。與傳統的減材制造技術相比，3D 打印技術脫離了刀具、夾具等配套工具的使用，能夠實現多種類型加工制造，并且能夠在每種加工程序之間自由轉換，在生不同零件時，只需要調用不同的文件即可。在產品研究周期上相對較短，只需要利用計算機軟件進行零件設計，然后即可投入使用，尤其是對于新品的研發試產具有重要意義，可大大減少減材制造的工序。產品制造的數字化、智能化程度較高，零件設計、建模、分層、工藝設計、生成路徑、導入控制系統、制造加工一系列的工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，因為快速熔化和凝結使得加工完的零件在組織上更加緊密均勻，不會出現傳統制造中的組織缺陷，提高了材料的強度、塑性和耐腐蝕性。因為特殊的加工方式，可以實現任意方式和結構的組合，尤其適用于內部結構較為復雜的零件加工。
2 、數控機床與 3D 打印一體化制造技術
2.1 數控機床與 3D 打印一體化制造的必要性
因為數控機床加工和 3D 打印技術都有各自的優缺點，為了滿足我國工業生產的需求，可以將兩種技術結合應用，充分發揮二者的優勢，彌補彼此的缺點，從而達到優勢互補的目的，最終提高零件的加工效率和加工質量。將數控機床與 3D 打印技術結合可形成復合機床，在一臺機床上就能夠實現兩種技術的應用。在復合機床中，可以將數控加工中削減的材料經過一定的處理后用于 3D打印的原材料，同時經過 3D 打印后的零件又可以利用數控技術進行精度和表面光滑度的處理，有效的避免了兩種技術的局限性。數控機床與 3D 打印的一體化制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，其所創造的價值要遠遠大于兩種技術的簡單疊加。將兩種技術結合后的復合機床可大大的減少材料的浪費，可以實現材料的循環利用，在工廠內部或者生產過程中就能夠實現物料的循環，提高資源的利用率，降低對環境的污染。復合機床的操作更加簡便，操作人員只需要在一個工作站就能夠處理整個加工流程，簡化了工序。因為在復合機床中可以實現兩種技術操作，所以總體投資要比購買兩臺設備低很多。可以生產的零件在總體上具有更高的性價比，不僅成本有所降低，且零件的性能會有所增強。
2.2 數控機床與 3D 打印一體化制造的應用
數控機床與 3D 打印的一體化制造技術是滿足制造業高端制造要求的必然產物，將兩種技術的融合應用而研發的復合機床，能夠進一步提高企業的市場競爭力，為復雜零件制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復合機床，并且在實際應用中取得了良好的效果。比如馬扎克公司研發的一款復合機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，適用于加工小批量、難加工材料的產品，比如在航空航天領域的耐熱合金零部件、能源領域高硬度材料工具和零部件、醫療設備領域高精度特種合金零部件，這些都是工業生產中對零部件加工有較高要求的行業，復合機床在這方面的制造技術可有效滿足制造要求。在這款機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切換。在實際應用中，用戶可以根據加工零件的形狀、加工條件以及金屬粉末的材料來決定使用哪種熔覆頭。這款機床可以進行全面的五軸車銑復合加工，B 軸擺動幅度較大，對于多棱體鍛件或鑄件、回轉體零件以及結構比較復雜的異形件，都能夠輕松實現。這種復合機床的應用，既減少了數控加工中對材料的浪費以及難以完成復雜零件的加工，同時又改善了 3D打印表面平滑度的問題，尤其適用于對加工要求較高的工業領域。
2.3 復合機床發展面臨的挑戰
將數控機床與 3D 打印進行一體化制造的復合機床，雖然優點較多，但同時也存在一定的缺陷。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后，可能會對激光束的吸收率和襯底內填充材料的稀釋產生一定的影響。而在 3D 打印過程中使用材料中的粉末可能會對機床的導向系統產生一定的磨損，所以要做好相應的防范措施。在熱處理過程中，添加的材料如果受到加熱和冷卻熱循環的影響，在材料中可能產生殘余應力，而這部分殘余應力如果在后續加工中釋放出來，就會對零件幾何形狀的精度產生一定的影響。這些都是一體化制造過程中可能面臨的問題，所以還需要根據實際生產狀況不斷的改進生產工藝，降低兩種技術之間相互的影響，最終提高生產效率和質量。
3、 結語
數控機床與 3D 打印的一體化制造技術，實質上就是增材制造與減材制造的結合應用，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，實現資源的高效利用，縮短生產時間，提高生產效率。這種制造技術的應用對于我國面臨資源緊張、環境污染的形勢具有重要的意義，對于我國進行工業生產的轉型升級具有一定的推動作用。一體化制造技術需要在復合機床中實施，在實際執行的過程中還會面臨很多的挑戰，但是通過研發人員的努力，一體化制造技術會越來越成熟，也為我國加工制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有利的條件。
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