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摘要：近年来,机械制造行业的竞争形势越来越激烈,各企业要想在激烈的市场竞争中占据有利地位需要使用3D打印技术,为自身的良好发展奠定坚实基础。与发达国家相比,我国在这方面的研究起步较晚,还存在较多问题急需解决,应积极探索实践,尽快克服现有技术的弊端与不足,最大程度地挖掘3D打印技术的优势,使其而机械制造行业的可持续发展提供有效助力。
关键词：3D打印技术在；机械产品；数字化设计；制造应用
13D打印技术的原理及技术特点分析
1.13D打印技术的原理
3D打印技术被认为是最近20年来世界制造技术领域的一次重大突破,其是产品快速开发和柔性制造技术的结合体。3D打印技术也称“三维打印”,属于快速成型技术的一种。该工艺是由美国麻省理工学院Emanu-alSachs等人研制,它是以三维数字模型为基础,基于离散堆积原理,采用陶瓷粉末和金属粉末作为黏合材料,通过逐层打印叠加的方式打印三维实物。3D打印技术通过计算机进行成型模拟,整个工艺过程无须专用工具,工艺规划简单,制造速度快于传统方法,能够用最快的速度实现模型的展现,极大地减少了传统制型所使用的材料及模具等。当前世界科技发展以“数字化”为核心理念,3D打印技术拥有良好的发展前景和应用价值,应用范围非常广泛,最先应用于制造锻造用的模具模型,经过近些年的快速发展,除应用于设计模型、功能制造模型、实验分析模型外,还可广泛应用于航空、医疗、建筑、艺术行业。根据国家工信部估算,预计到2020年,3D打印技术将会达到50亿美元的产值规模。3D打印技术在制造业的投入使用,将对机械制造业的发展起到显著的提升作用,而伴随着信息技术、CAD技术、材料技术和计算机技术等日新月异的发展,未来3D打印技术必会将制造业推向更高的层面。
1.23D打印技术的特点及常见工艺
3D打印技术具有如下特点:第一,数字化制造,利用CAD模型直接驱动,实现实体零件数字化;第二,个性化快速制造,加工制造过程中不需要专用夹具或工具以及人工干预,设计制造全程自动化、智能化、一体化,可以开展个性化定制加工;第四,直接堆积加工,逐层打印、层层堆积的生产模式只需一台打印中心,没有拼接组装过程,产品均匀度和精确度比较高。3D打印工艺有很多种,比较常见的有熔融沉积制造(FDM),其优点是成本低、操作简单、加工体积小巧,不足之处是凝固成型的实体表面的结合部位轻度不高,且易出现明显裂纹;分层实体制造(LOM)的优点是成本低、产品成型率高,不需要填充材料,不足之处是产品表面质量不高,材料浪费较大;立体光刻(SLA)的优点是材料利用率高,产品质量高,表面光滑,不足之处是成本高,产品实体受光照影响易分解;选区激光烧结(SLS)的优点是原材料种类多,产品机械性能佳,不足之处是制作成本偏高,粉末成型度有待进一步提升。
23D打印技术在产品设计与制造中的应用
2.1三维测量与物体重建
3D传感是当前人工智能领域最核心的视觉感知技术,集软件、算法、光学、芯片等多学科技术于一体,也是新型人机交互、感知识别最为核心的技术载体。目前3D传感采用的主流技术解决方案是飞行时间和结构光,主要利用光学折射原理获取3D景深图,通过红外激光扫描捕捉物体的三维轮廓,利用衍射光学元件、垂直腔面发射激光器、CMOS图像传感器等元器件,再配合不同算法来进行三维测量。目前三维扫描仪的扫描模块就采用了3D传感摄像头,只需要用手拿着扫描物体就可以直接扫描,大大提高了其扫描精度,同时3D打印技术在重建物体的几何形状上已具有一定水平,基于3D传感技术的产品三维测量与3D打印产业相结合将会形成一个完整的3D产业。智能制造是制造业的发展趋势,而中国已经成为世界制造业第一大国,3D传感技术和3D打印技术无疑将会加速工业自动化和互联网工业化的发展,有助于转变发展方式和制造业的转型升级,进而增强企业产品的市场核心竞争力。
2.2机械产品数字化设计与制造
3D打印技术在机械产品设计、机械制造、模具制作、汽车设计、航空航天技术等领域都得到了广泛的应用。在产品创新和快速开发方面数字化设计与制造技术也成为了一种必然趋势。集成化、全数字化的面向产品全生命周期的设计制造集成系统将会得到广泛应用,通过数字化设计制造集成系统可以完成产品设计、产品制造以及整个产品全生命周期,包括产品三维建模与仿真、虚拟装配以及虚拟制造。由于3D打印技术本身具有直接成型、成本低、开发周期短、绿色制造、柔性化制造等优点,在机械原型产品设计与制造中大多会利用3D打印技术来缩短开发周期,降低开发成本,提高设计效率。波音777是最早使用数字化设计与制造的大飞机项目,数字化设计的关键技术是模拟仿真技术,采用数字化技术和网络化技术不仅可以缩短研发周期,还可以大大减少研发支出。飞机风洞试验模型的设计与制造是风洞试验的重要环节,而利用3D打印技术设计和制造飞机风洞模型,可以大大提高飞机研制的效率。此外,3D打印技术除了可以用于汽车造型外,还可以用于汽车风洞模型的制作,通过3D打印技术缩短研发周期,从而提高新品研发速度,3D打印的比例模型在其中发挥着不可替代的重要作用。3D打印技术利用3D打印制作的实物模型可以形象的展示产品效果,减少模具制作的时间,大大提高了产品设计的时效性,让公司产品在日益竞争激烈的市场中赢得主动权。
模具在实际生产中发挥着重要的作用,3D打印技术也可以用于模具的快速开发与制作,随着3D打印技术的成熟,3D打印技术与模具开发技术的结合将会更加紧密。模具逆向数字化快速开发过程一般可分为3个阶段,模具逆向数字化开发为第1个阶段,模具数字化设计为第2个阶段,模具数字化制造为第3个阶段。基于逆向工程的模具快速开发与制造可以提高模具制造水平,缩短产品的研究开发周期。
2.3加快产品开发速度
生产过程是影响机械制造行业发展速率的关键因素,利用3D打印技术加快产品开发速度可为行业发展提供助力,具有重要意义。传统的产品加工过程使用的机械设备科技含量较低,产品质量与生产效率难以满足现代社会的发展需求,而生产成本高,很大程度上降低了企业的经营效益。3D打印技术的出现有效解决了这一问题,提高了产品生产效率,能够满足市场的实际需求。3D打印技术优势良多,尤其是在零部件制造中,可在现代化计算机技术的辅助下将最基础的原材料制作成实物,简化了生产流程,大大提高了产品开发速度。另外,经由该项技术制造出来的产品不需经过检验修改便可投入使用,缩短了生产周期,解放了劳动力,提高了产品开发的机械化与现代化水平,进而为机械制造行业的未来发展注入了源源不断的动力。
结论
综上所述,随着科学技术的发展,3D打印技术也会不断地发展进步。将3D打印技术应用到机械制造业,将会推动机械制造业朝着自动化、现代化和数字化方向发展,实现技术上的创新,优化机械制造布局,节省物力和人力资源,开创机械制造业的绿色的制造模式,使机械制造业迈向新的台阶,进而提高我国机械制造业的实力。
参考文献：
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