3D打印技术与CNC技术未来的关系走向

王龙威

摘 要 3D 打印技术相对于传统的生产方式是一次重大变革，它具有CNC技术所不可比拟的优势，但不能由此认为3D 打印技术可以替代CNC技术。从中期来看，3D打印技术可以作为CNC技术的有益补充，二者共同推动制造业的进步。

关键词 3D打印技术 CNC技术 技术变革与发展

中图分类号：TH164 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.03.066

3D Printing Technology and Future Relations with CNC Technology

WANG Longwei

（School of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong University of Science and Technology，

Qingdao， Shandong 266590）

Abstract Compared to the traditional mode of production， 3D printing technology is a major change， it has CNC technology incomparable advantages， but it does not believe that 3D printing technology can replace CNC technology. In the medium term， 3D printing technology can be used as a useful complement to the CNC technology， the two jointly promote the progress of the manufacturing industry.

Keywords 3D printing technology； CNC technology； technological change and development

1 3D打印技术与CNC技术的概况

快速成型技术中的3D打印，是用金属或塑料等粉末材料，通过降维打印的方式来制造物体的技术。该技术流程可以简略地概括为：首先用计算机软件对所需要的产品进行立体式设计，然后根据设计的样式，通过特定的设备用一定的材料 “打印”出产品。

CNC是计算机数字控制机床的简称，其工作原理为：把计算机技术应用于机床，从而使机床智能化，使其按照编制的程序进行工作，通过刀具切削等把毛坯材料加工成所需要的产品。

2 3D打印技术与CNC技术的主要区别

3D打印技术的主要特征是“增材制造”，而CNC技术的主要特征则是“去除型”制造。具体来说就是，CNC技术生产产品一般是在已有原材料基础上，通过对原材料进行切割、磨削、腐蚀、熔融等，去除多余部分，得到零部件，再对其进行拼装和焊接等，最后组合成最终产品；而 3D打印技术则是“增材制造”，它不像CNC那样需要原胚和模具，而是根据计算机辅助制图得到的数据，通过增加材料的方法直接生成各类物体。

3 3D打印技术与CNC技术两者的应用现状

3.1 3D打印技术现状

3D打印在现阶段的生产规模还不是很大。事实上，二三十年前，3D打印技术已经能够使用树脂或塑料等材料生产产品。近年来，可用于3D打印的材料范围已经扩展到包括金属材料，并且已经成功地与信息技术结合使用。目前，其发展主要是依赖于激光和电子枪等关键部件的不断完善。在这里举两个3D打印的重要应用：

第一，某些结构复杂的零件或者制成品以及对于精度和工艺细节要求较高的产品，包括小零件和大型组件，可用3D打印。 换句话说，大多数3D打印技术可以突破结构几何约束。 因此，在一些结构复杂的大型组件的加工中，不仅与传统的加工难度相比下降了不少，而且大大降低了成本。

第二，应急制品或者快速制成品，可用3D打印。在军事层面上，3D打印可以现场做成一些成品，以确保紧急情况下的机械维修。在大部分情况下，装备在受到损害后，超过一定比例，因成本原因，直接废弃。3D打印可以解决这些问题，在后勤紧张的时候，可快速制成一些用品。在医用领域，最著名的就是通过3D打印高精度的模型，来辅助治疗。比如，Stratasys Solidoodle2 可以用来打印病人的体内器官或者组织模型，辅助制定精确的手术方案。而对于无需与生物组织相容的体外医疗器械，利用医用3D打印可以进行深度定制。如假肢、助听器、齿科手术模板等。据统计，目前美国约有200万人使用3D打印假肢。而更先进的是，现在已发展到还不是很成熟的细胞打印。在航天领域，3D打印主要集中在NASA的项目上，NASA已在冷却、包装和屏蔽电子的物体上使用3D打印技术。

但是3D打印也面临很多棘手的问题，主要有：（1） 投入与回报，3D打印投资回报率低。核心设备以及所用的原材料价格都很昂贵。（2）精度，3D打印现在的精度并不适合制造大部分的高端工业品，继而导致3D打印的工业附加值较低。（3）材料的种类和性能，尽管现在已有几百种材料能够被3D打印，但是高温塑料和一部分常用金属依旧不能被打印。（4）机械设计的限制，因为3D打印给机械设计带来的无限可能，很多工业品都应当被重新设计优化，但是这个就涉及到上游设计领域的大变革。传统CAD软件需要被颠覆，传统结构设计，应当向topology优化方向发展，但是目前这些都还没有成形的体系。此外，3D打印并非想怎么做就能怎么做，一些设计就不可能被打印出来，比如完全空心的塑料球。此外，能否实现金属和塑料的混合制造，这也是一个挑战。（5）打印件后的处理，在目前阶段，成品表面的打印，塑料部件只能说是可以接受，但不能做到光滑；金属部件表面粗糙，可能还不如铸造工件表面光滑，必须抛光并清潔。当打磨成为必要时，3D打印的方便性就会被打破。（6）缺少相对的人力资源，对于企业来说，不能直接招募成熟的人才资源，这也是新技术应用的一个问题。（7）效率和大型产品，虽然大型的3D打印机已经问世，但是打印大型产品的时间依旧是个大问题。（8）产业链不完整，3D打印作为一种新技术，还没有形成良好的产业环境，缺少服务商。（9）市场认可，因为上述的各种问题，3D打印的市场认可度不高，没有市场需要，就没有销路，没有销路，企业也就不会继续投资。（10）质量监管，3D打印产品的质量监管可能不同于传统产品，我们对这一领域了解不足，也没有现成的体系和标准可以实施。而这个对于航空业尤其重要。

3.2 CNC技术现状

当前，CNC技术正在向高速、高效和高精度目标发展，为了增强竞争力， CNC机床在设计制造中融入了许多新技术，像直线电动机技术、高效冷却系统技术、多功能加工系统技术、开放式CNC系統技术和网络制造系统技术等，大大提高了CNC机床产品的性能。

中国数控机床的发展过程大致可分为两大阶段。1958—1979年间为第一阶段，从1979年至今为第二阶段。

在第一阶段中，中国当时对数控机床认识不足，缺乏技术条件与配套，人员素质不高。发展盲目性较大，缺乏实事求是的科学精神。

在第二阶段中，随着改革开放，中国从世界上多个发达国家或地区引进数控机床先进技术或与其合作、合资生产，解决了可靠性、稳定性问题，但在关键技术上创新能力不足，没有自主知识产权，很多重要的功能性部件、自动化的刀具以及数控系统等仍离不开发达国家的技术支撑，不能独立自主地研制。[1]

近年来，中国数控机床在产品种类、技术水平、质量和产量等方面取得了较大进步，甚至在一些关键技术上取得了重大突破。产品类别涵盖几乎所有类型的金属切削机床和主要类型的锻造机械。这标志着中国数控机床进入了快速发展的新时期。[2-4]

4 3D打印技术与CNC技术未来的关系走向

3D打印技术与CNC技术作为制造业的两大技术正在逐步改变着人们的生产方式和生活方式以及思维方式。

CNC技术主要采用数字、文字和符号组成的数字指令来实现对一台或多台机械设备动作的控制。它主要实现对位置、角度、速度等机械量的控制以及对与机械量流向有关的开关量的控制。CNC技术主要依赖于数据载体和二进制数据运算的出现，是与机床控制密切结合而发展起来的。世界上第一台数控机床是在1952年出现的，这是世界机械工业史上的一件划时代的大事，推动了自动化的发展。

3D打印技术乍看起来是新鲜事物，但其思想却起源于19世纪末，并在20世纪80年代得以发展和推广。中国物联网校企联盟曾把3D打印技术称为“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。其基本原理就是：把相关数据和所需原料放进3D打印机中，机器就会按照编制的程序把产品一层层生产出来。打印出的产品，可以即时使用。世界上最早的3D打印是在20世纪80年代，当时价格极其昂贵，所能打印的产品数量也非常少。2003年以来3D打印机的生产和销售逐渐扩大，价格也开始下降。

3D 打印技术与CNC技术相比具有明显的两个优势：一是CNC技术不能生产制造个性化、复杂、高难度产品，而 3D 打印技术则可以实现；二是即使CNC能够生产制造上述产品，但是投入成本太高，周期太长，而通过 3D 打印技术则可以非常快捷、方便，且周期短、成本低。[5]

那么，未来3D 打印技术是否可以替代CNC技术呢？答案是否定的。

3D 打印技术作为传统生产方式的一次重大变革发展前景良好，但是如果说3D 打印技术可以替代CNC技术则是不现实的。主要原因在于：第一，传统制造业经过较长的历史发展，在生产工艺和成本控制方面都比3D打印技术更占优势。第二，生产的产品都具有功能性，功能性的产品都是由不同的材料制造的，由此3D打印技术很难达到规模化的要求。第三，通过3D打印技术生产的产品有些并没有彻底脱离CNC技术生产的产品的作用。

综上所述，3D打印技术虽然能够打印出人们所需要的多种产品，但是从成本核算、材料约束、工艺水平等多方面因素来看，3D打印技术并不能够完全替代CNC技术，而可以作为CNC技术的有益补充。

参考文献

[1] 凌勇坚，叶萍，张志伟.数控木工机床市场前景看好[J].数控机床市场，2011（12）：34-35.

[2] 吴晓冬.基于水电机组修造要求的CT5235立车数控改造研究[D].西华大学，2005.

[3] 屈平.国内数控机床现状简析及建议[J].装备机械，2005（3）：10-13.

[4] 国内数控机床市场前景巨大[EB/OL]. http：//www.docin.com/p-1500585750.html.

[5] 3D打印带来医疗新革命[EB/OL]. http：//news.bioon.com/article/6643711.html.