数控机床与 3D 打印一体化制造技术分析
2021-2-19 来源： 河南工业贸易职业学院 作者：党霞
摘要：数控机床技术和 3D 打印技术作为两种不同的加工方式，在加工生产中都有各自的优缺点。为了满足高端制造的需求，可将 3D 打印的增材制造技术与数控机床的减材制造技术相结合，充分发挥两种制造技术的优势。文章首先阐述了数控机床加工与 3D打印一体化制造技术结合应用的优势，然后对数控机床与 3D 打印一体化制造技术进行分析，为促进我国工业生产水平的进一步提升奠定良好的基础。
关键词：数控机床；3D 打印；一体化制造；集成制造
0 引言
随着我国工业生产水平的提高，对零件加工的技术水平提出了更高的要求。数控机床作为典型的机电一体化加工设备，在促进我国工业生产的发展中发挥了重要的作用。没有任何一种加工方式是完美的，数控机床为减材制造方式，所以在加工过程中会产生大量的碎屑垃圾，不仅造成资源的浪费，而且会对环境造成一定的污染。而3D 打印技术的出现，是对传统加工形式的一种创新，其融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术，以数字模型文件为基础，利用软件与数控系统将专用材料以特有的方式进行逐层堆积，最终制造出实体物品，称为增材制造。数控加工技术和 3D 打印技术在加工方式上完全相反，为了最大化的发挥两种加工方式的优势，可以将两种加工方式结合应用，不仅能够降低制造时间和成本，还能够提高产品的制造质量，进一步提升我国加工制造业的水平。
1、 数控机床与 3D 打印分析
1.1 数控机床与 3D 打印概念
数控机床是典型的机电一体化生产设备，在促进我国零件加工的自动化生产中发挥了重要作用。数控机床主要是按照加工需求将加工工艺进行编程处理，然后将程序输入到控制中心，通过控制中心控制机械设备执行操作。数控机床在加工方式上讲属于减材制造，通过对原材料的切削等处理，最终得到想要的产品。数控机床在加工过程中，利用传感器等设备能够对整个加工过程进行监控，以及时调整机械设备的运行轨迹，确保零件加工的精准度和可靠性。数控系统具有灵活性和通用性的特点，且加工精度较高，在航天航空等精密零件加工中应用也较为广泛。
3D 打印技术改变了传统的加工制造方式，其采用的增材制造技术能够完成很多结构复杂的零件加工。首先利用计算机软件将三维实体模型按照一定的厚度进行切片分层，然后将零件的 3D 形状信息转换成二维图形信息，再根据加工要求将每组二维图形按照一定的顺序填充路径。在实际市场的过程中，会将这些路径信息导入到打印机控制系统中，打印机即可按照填充路径将填充材料熔化堆积，在每层达到一定的填充厚度后再进行下一层的填充，最终形成三维实体工件。3D 打印技术实质上就是将打印材料一层层的叠加起来的，所以能够完成难度较大的零件加工。随着这项技术的发展，可利用的材料种类越来越多，应用领域也越来越广泛，对促进我国工业生产的发展起到了重要的推动作用。
1.2 数控机床与 3D 打印的特点
我国工业生产中的制造方式经历了等材制造、减材制造和增材制造三个阶段，每个阶段都是一种技术上的创新和改革。等材制造主要是指在加工前后材料的重量基本不变，比如铸造、锻造、焊接等生产方式。减材制造是指通过对材料进行切削加工，最终达到设计形状的加工方式，比如使用车、铣、刨、磨等设备对材料进行切削加工。增材制造主要是指通过光固化、选择性激光烧结、熔融堆积等技术，以逐渐增加原料的形式加工成设计形状，比如 3D 打印技术。这一系列过程的变迁，充分的展现了我国工业加工技术的发展，不仅是生产加工理念和模式的转变，同时也大幅降低了加工成本和时间，降低了能源消耗，提高了生产效率。
数控机床加工形式为减材制造，在加工过程中利用刀具、夹具等对原材料进行切削，去掉多余的部分，最终制造成设计的形状。因数控机床的自动化和智能化程度较高，所以对加工对象有较强的适应性，不仅能够批量生产，而且适用于单件或小批量产品的加工。在加工不同种类的零件时，不需要调整机床，只需要更换加工程序即可，在控制面板中输入相应的程序即可按照相应的工序进行操作，有效缩短了生产周期，减少了更换装备的时间。数控机床是以数字信号的形式进行生产控制，在加工过程中还能够对构件之间的误差进行补偿，从而提高加工精度，能够实现稳定的加工质量。数控机床的自动化生产方式有效的提高了生产效率，在进行相应的工艺改进后，能够在一台机床上进行多道工序的连续加工，减少了工序转换的时间。由于数控机床是按照设计好的程序进行加工，在输入程序后启动，机床就能够自动连续加工，所以大大降低了操作人员的劳动强度。但是对操作人员的技术水平有了更高的要求，操作人员应该熟练掌握程序的输入、编辑、零件装卸、刀具准备、加工状态的观测以及零件的检验等工作，才能够确保机床加工的高效运行。
3D 打印技术为增材制造形式，这种加工方式成形速度快，成本便宜，操作简单，所以在我国现代生产中应用较为普遍。与传统的减材制造技术相比，3D 打印技术脱离了刀具、夹具等配套工具的使用，能够实现多种类型加工制造，并且能够在每种加工程序之间自由转换，在生不同零件时，只需要调用不同的文件即可。在产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。产品制造的数字化、智能化程度较高，零件设计、建模、分层、工艺设计、生成路径、导入控制系统、制造加工一系列的工作程序都可以在计算机中操作，效率较高。在实际生产过程中，因为快速熔化和凝结使得加工完的零件在组织上更加紧密均匀，不会出现传统制造中的组织缺陷，提高了材料的强度、塑性和耐腐蚀性。因为特殊的加工方式，可以实现任意方式和结构的组合，尤其适用于内部结构较为复杂的零件加工。
2 、数控机床与 3D 打印一体化制造技术
2.1 数控机床与 3D 打印一体化制造的必要性
因为数控机床加工和 3D 打印技术都有各自的优缺点，为了满足我国工业生产的需求，可以将两种技术结合应用，充分发挥二者的优势，弥补彼此的缺点，从而达到优势互补的目的，最终提高零件的加工效率和加工质量。将数控机床与 3D 打印技术结合可形成复合机床，在一台机床上就能够实现两种技术的应用。在复合机床中，可以将数控加工中削减的材料经过一定的处理后用于 3D打印的原材料，同时经过 3D 打印后的零件又可以利用数控技术进行精度和表面光滑度的处理，有效的避免了两种技术的局限性。数控机床与 3D 打印的一体化制造技术是对传统加工方式的一种颠覆，将“加法”与“减法”结合使用，其所创造的价值要远远大于两种技术的简单叠加。将两种技术结合后的复合机床可大大的减少材料的浪费，可以实现材料的循环利用，在工厂内部或者生产过程中就能够实现物料的循环，提高资源的利用率，降低对环境的污染。复合机床的操作更加简便，操作人员只需要在一个工作站就能够处理整个加工流程，简化了工序。因为在复合机床中可以实现两种技术操作，所以总体投资要比购买两台设备低很多。可以生产的零件在总体上具有更高的性价比，不仅成本有所降低，且零件的性能会有所增强。
2.2 数控机床与 3D 打印一体化制造的应用
数控机床与 3D 打印的一体化制造技术是满足制造业高端制造要求的必然产物，将两种技术的融合应用而研发的复合机床，能够进一步提高企业的市场竞争力，为复杂零件制造与维修提供良好的解决方案。现阶段，世界上已经有部分国家研发出了复合机床，并且在实际应用中取得了良好的效果。比如马扎克公司研发的一款复合机床为客户提供了一种与传统零件设计、加工方式完全不同的技术，适用于加工小批量、难加工材料的产品，比如在航空航天领域的耐热合金零部件、能源领域高硬度材料工具和零部件、医疗设备领域高精度特种合金零部件，这些都是工业生产中对零部件加工有较高要求的行业，复合机床在这方面的制造技术可有效满足制造要求。在这款机床中可以提供高速或高精度两种熔覆头，在主轴上安装的熔覆头可以自动切换。在实际应用中，用户可以根据加工零件的形状、加工条件以及金属粉末的材料来决定使用哪种熔覆头。这款机床可以进行全面的五轴车铣复合加工，B 轴摆动幅度较大，对于多棱体锻件或铸件、回转体零件以及结构比较复杂的异形件，都能够轻松实现。这种复合机床的应用，既减少了数控加工中对材料的浪费以及难以完成复杂零件的加工，同时又改善了 3D打印表面平滑度的问题，尤其适用于对加工要求较高的工业领域。
2.3 复合机床发展面临的挑战
将数控机床与 3D 打印进行一体化制造的复合机床，虽然优点较多，但同时也存在一定的缺陷。在数控机床加工中需要使用切削液，而在加工过程中残留的切削液如果与 3D 打印使用的颗粒混合后，可能会对激光束的吸收率和衬底内填充材料的稀释产生一定的影响。而在 3D 打印过程中使用材料中的粉末可能会对机床的导向系统产生一定的磨损，所以要做好相应的防范措施。在热处理过程中，添加的材料如果受到加热和冷却热循环的影响，在材料中可能产生残余应力，而这部分残余应力如果在后续加工中释放出来，就会对零件几何形状的精度产生一定的影响。这些都是一体化制造过程中可能面临的问题，所以还需要根据实际生产状况不断的改进生产工艺，降低两种技术之间相互的影响，最终提高生产效率和质量。
3、 结语
数控机床与 3D 打印的一体化制造技术，实质上就是增材制造与减材制造的结合应用，两种技术的结合应用可充分发挥二者的优点，克服各自在生产中的缺点，实现资源的高效利用，缩短生产时间，提高生产效率。这种制造技术的应用对于我国面临资源紧张、环境污染的形势具有重要的意义，对于我国进行工业生产的转型升级具有一定的推动作用。一体化制造技术需要在复合机床中实施，在实际执行的过程中还会面临很多的挑战，但是通过研发人员的努力，一体化制造技术会越来越成熟，也为我国加工制造业的进一步发展开辟了新的道路，也为我国向工业强国发展创造有利的条件。
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