数控机床与3D打印一体化制造技术研究

姚层林

摘要：数控机床与3D打印一体化制造技术在加工生产时拥有各自不同的要求和特点，将二者结合在一起能够更好的促进我国制造业发展。为此，文章在阐述数控机床与3D打印一体化制造技术内涵的基础上，分析数控机床与3D打印一体化制造技术融合的必要性，并就如何打造数控机床与3D打印一体化制造技术相结合的产品制造方式进行探究，旨在能够降低3D打印制造的难度，提高产品的制造速度。

Abstract： The integrated manufacturing technology of CNC machine tools and 3D printing has different requirements and characteristics in the processing and production. Combining the two together can better promote the development of China's manufacturing industry Therefore， this article expounds the connotation of the nc machine tools with 3 d printing integrated manufacturing technology， on the basis of analysis of nc machine tools and the necessity of integration of 3 d printing manufacture technology integration， and as building nc machine tools and integrated manufacturing technology with the combination of 3 d printing products manufacturing， to can reduce the difficulty of 3 d printing manufacture， improve the product manufacturing.

关键词：数控机床;3D打印;    切削;一体化;加工制造;工业化生产

Key words： CNC machine tool;3D printing;cutting;integration;processing and manufacturing;industrial production

中图分类号：TG519.1         ;                         文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）21-0206-02

0  引言

从上个世纪八十年代开始，3D打印技术开始被人们关注，经过长时间的发展，衍生出了选择性激光烧结、熔融沉积、分层实体制造、选择性激光溶化成型等多个形式，被人们广泛的应用到工业设计、模具加工制造、航空航天、医疗卫生等领域。当前，3D打印技术已经发展成为一种成本效益优良的技术形式。依托3D打印技术，在产品研发的初始阶段就需要相关人员能够获取反馈信息，通过对这些信息的分析来及时发现问题，予以调整，最终不仅会节省零部件加工成本，而且还能够缩短产品上市时间，提高产品生产效率。

从3D打印技术应用情况来看，仅仅依靠传统的打印方式无法完成对产品的最终制造，也会加大打印难度。在制造业领域沿用的也是传统切削加工方式，效率低下。将以数控机床为代表的的减材制造装备技术和3D打印技术结合在一起会打造出彼此密切配合的产品制造方式，不仅会降低3D打印制造难度，而且还会提升产品的制造速度。

1  数控机床与3D打印的概念分析

1.1 数控机床

数控机床是机电一体化生产设备，在推进我国零部件的自动化生产加工方面起到了十分重要的作用。在具体实施操作的时候数控机床会按照各个零部件的实际加工生产需求来编订零部件的生产加工程序，而后将程序输入到控制中心，在控制中心的指引下来操控设备的运行。

数控机床的加工本质是减材制造，通过对一系列原材料的切削处理会获得最终的产品。为了保障加工的精准性，在零部件加工设计的时候会利用传感器设备来对零部件 生产加工过程进行监督控制，根据实际情况来调节机械设备的运行轨迹，保障零部件加工的精准性、安全性、可靠性。

1.2 3D打印技術

3D打印技术在使用的时候改变了以往的加工制造方式，其增加使用的制造技术能够对结构复杂的零部件进行加工。首先，借助计算机软件依照三维立体模型的设计标准来完成切片分层处理，而后会将零件的3D形状转变为二维图形。其次，根据加工要求按照一定的顺序来完成二维图形的填充，整合信息，后将信息导入到打印机控制系统，打印机控制系统会根据填充路径处理填充材料，层级进行，最终会打造出三维实体工件。3D打印技术的应用本质是将各个打印材料分层堆积在一起，从而富有效率的完成零件加工。

2  数控机床与3D打印的特点

2.1 应用优点

3D打印技术是增材制造形式，具备加工成型速度快、成本造价低廉、操作方便简单的特点，被人们广泛的应用在现代化生产加工中。和以往减材制造技术相比，3D打印技术摆脱了对刀具、夹具配套工具的使用，且在实施操作的时候能够在这个加工工序之间灵活转换。在生产不同零件时，只需要调用不同的文件即可。在產品研究周期上相对较短，只需要利用计算机软件进行零件设计，然后即可投入使用，尤其是对于新品的研发试产具有重要意义，可大大减少减材制造的工序。

数控机床的加工形式为减材制造，在具体实施操作的时候会利用刀具、夹具等来对原材料进行切削处理，去除不必要的部分，最终制造成设计的形状。数控机床技术虽然没有3D打印神奇，但普通机床完成数控化改造后可大幅提高机床的加工效率和自动化、智能化程度，降低操作者接触危险部位的可能性，减少操作者操作失误现象发生的可能。机床经数控化改造后，安全性能得到明显改善，事故率显著降低，将带来巨大的安全效益。

2.2 应用局限

在机床使用的过程中用在切除金属的功率仅仅占据25%左右的比例，在去掉各个损耗和辅助功能占比的基础上，材料的平均利用率比较低，在具体加工操作的时候有可能会浪费比较多的金属材料。如果能够将材料的综合利用率提高10%左右的比例就能够每年节省几十万吨的钢材。但是从当前应用角度来看，3D打印技术的使用不够完善，依托3D打印技术生产加工出来的产品距离理想化的产品会存在一定的差距。比如一些对强度要求较高的金属零部件无法选择使用3D打印模式，飞机引擎内部高性能的零部件无法使用这种方式进行加工。

3  数控机床与3D打印一体化制造的必要性分析

数控机床与3D打印技术融合在一起使用能够有效弥补各自的缺点，最终提升零部件的生产加工效率、质量。在复合机床生产设计中可以将数控加工中削减的材料进行二次处理，而后用在3D打印原材料上。同时，经过3D打印技术的零部件还能够利用数控技术进行精细化加工，在两种技术的配合使用下会提升零部件的生产加工效率。在工厂生产加工操作的时候还能够实现物料的循环使用，由此在保障生产的同时提高资源利用率。依托数控机床与3D打印技术的复合机床操作更为简单，操作人员在工作站就能够完成整个加工操作，简化流程，提高效率，降低成本。

4  数控机床与3D打印技术在工业制造领域的应用

4.1 数控机床和3D打印一体化制造的基本理念

数控机床和3D打印一体化制造结合在一起能够更好的提升产品的生产效率，最终加工出更高质量的产品。在采取传统切削方式生产制造产品的基础上，会通过数控机床技术来产品加工产生的粉末充分收集起来，而后将收集上来的金属材料粉末直接导入到3D打印机中，最终生产出符合要求的产品。

4.2 数控机床和3D打印一体化制造加工方式

传统意义层面上的制造工艺会牵扯到对原材料的切削、弯曲、锻造等工序， 经过这一系列的操作工序能够生产出更高质量的产品。

和传统打印技术相比，3D打印技术弥补了以往打印技术尺寸小、精准度差、速度慢的问题，也使得3D打印技术开始朝着人们实际的生产、生活方向发展。在减材制造和增材制造融合基础上人们研究出了“打印-加工”结合的新型3D打印模式，在这个打印模式的作用下会将产品的加工制造划分为3D打印和数控加工两个操作部分，在经过打印之后会预留出产品的一定加工余量，目的是为之后的切削加工提供支持。在打印加工之后会立即启动数控加工系统，借助切削道具的方式来解决产品打印过程中的缺陷，使得被加工的零部件能够满足规范的设计和使用需求。

在产品打印的过程中，可以通过引入分级打印技术来提升打印速度，提高打印效率。在实施打印操作的时候首先要使用打印熔丝直径比较小的打印喷头，借助这个打印喷头来对打印切片层外貌进行设计，而后根据实际情况在恰当的时机将其替换为熔丝直径较大的打印喷头。这样的打印方式能够有效保障打印产品的外部质量，缩短打印时间，提高打印效率。

在产品打印完成之后启动数控加工功能，根据实际加工需要来选择适合的切削工具、切削方式，从而恰如其分的通过切削的方式去除打印过程中产生的飞边、拉丝缺陷。在实施打印操作的时候需要提前预留一定的余量，通过切削加工的方式来去除打印过程中产生的变形，降低打印难度。

为了能够增进数控机床与3D打印技术融合使用的配合度，数控加工系统要具备以下特点：①数控加工以数控铣削为基础。在以往的打印机上加入一套新的数控加工系统，以数控铣削装置为基础，通过配备完善的加工刀库来满足不同零部件的加工需要。②具备恰当工作位置的调整机构。在打印和切削操作中，为了减少运动干扰，需要在数控机床与3D打印技术融合使用的过程中引入一套工作位置调整机构，为打印工作的顺利进行提供支持。

5  结束语

综上所述，在未来，数控机床和3D打印一体化制造会被应用到更多领域，但是从发展实际情况来看，一些地区在推广数控机床和3D打印一体化制造的时候会出现资源浪费的问题，在推广技术融合的过程中会消耗比较多的原料和能源。数控机床与3D打印技术融合的本质是增材制造和减材制造，在两种技术的结合作用下会有效克服各自的生产局限，提高资源利用率，并在资源紧缺的社会背景下来更好的促进我国工业生产加工转型，为我国工业强国的实现提供支持。通过对数控机床和3D打印一体化制造的研究我们可以预见未来装备 制造生产加工的发展方向。数控机床和3D打印一体化制造加工方式能够更好的促进未来装备制造业的发展，在这种制造管理方式的作用下能够提升产品的生产较高效率，降低产品的生产成本。这种一体化的制造方式打破了以往的减法式加工形式，通过减法和加法的配合能够将削减下来的材料重新生产加工，这样的加工方法不仅节省了原材料、能源，而且还能够减少产品加工对周围环境的破坏。由此可以见得，数控机床和3D打印一体化制造是一种理想型的绿色加工形式。数控机床与3D打印技术的联合使用仍然会面临比较多的挑战，需要研发人员积极思考、不断优化，从而使得一体化制造技术更为成熟，加工制造业的发展也更加顺畅。

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