3D打印于机械自动化的影响浅析

3D打印于机械自动化行业发展的影响浅析摘要：随着工业现代化的不断发展，机械自动化行业作为传统机械制造行业的革命者，正展现出其强大的生命力和朝气。而许多异形结构利用传统加工（包括五轴加工中心）也很难加工或根本不能加工，3D打印机应运而生。本文意在通过介绍机械自动化行业的发展前沿和3D打印技术的特点，探讨其可能出现的结合形式，并对其未来发展及应用前景做出预测。关键词：机械自动化；3D打印；发展前景1.1机械自动化的产生和定义早在1971年日本的《机械设计》杂志副刊上刊登了机电一体化这一名词，后来随着机电一体化的发展而被广泛的应用。美国机械工程师协会于1984年为现代机械下了如下定义：“由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统”。它与前面提及的机电一体化是一致的，因此可以说现代机械就是指机电一体化系统。20世纪90年代国际机器与机构理论联合会，给出了这样的定义，机电一体化是精密机械工程、电子控制和系统思想在产品设计和制造过程中的协同结合。因此又可以说机电一体化就是在机械设计制造及其自动化基础上的发展。1.2机械自动化的科学技术机械设计制造及其自动化是机械技术和电子技术为主体，多门技术学科相互渗透、相互结合的产物，是正在发展和逐渐完善的一门新兴的边缘学科，机械自动化使机械工业的技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电器化”迈入了以“机械自动化”为特征的发展阶段。它的发展至今已经成为一门有着自身体系的新型学科，随着生产和科学技术的发展，还将不断被赋予新的内容。但其最基本的特征可概括为：机械自动化的设计制造是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感检测技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织结构目标，在多功能、高质量、高可靠性，低能耗的意义上实现特定功能价值并使整个系统最优化的系统工程技术。需要强调的是，机械自动化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合性技术，而不是机械技术，以及其他新技术的简单组合、拼凑，这就是现代机械与机械电气化在概念上的根本区别。现代机械设计制造出的产品，不仅是人和手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的延伸，具有智能化的特征是现代机械自动化和传统的机械在功能上的本质区别。1.3机械自动化技术的应用将机械自动化应用到社会生产中，可提高产品的质量和产品生产率，缩短产品的生产周期，同时可降低产品的生产成本，减轻工人的劳动强度，提高企业的经济效益。机械自动化在改善劳动环境、促进产品的更新进度、带动产品相关技术的发展也有一定效果。机械自动化技术的应用体现在以下几个方面：1）自动化的信息流。包括计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助工艺设计以及产品数据管理系统等。计算机辅助设计（CAD-ComputerAidedDesign）是指通过利用计算机的图形设备辅助设计人员进行机械设计工作。计算机辅助制造（CAM-computerAidedManufacturing）是在生产制作的过程或系统中应用计算机技术，其核心是计算机数值控制技术，通常简称为数控技术。计算机辅助工艺设计的作用是建立计算机辅助设计和计算机辅助制造之间的桥梁，对工艺编程的效率进行提高，并优化工艺设计，使其变得标准化。产品数据管理系统是对设计制造过程中产生的数据和信息进行管理的系统。2）自动化的物流供输系统。物流供输系统可以将制造系统中所需要的原料或成品输送到相应的地点，是自动化的机械制造系统中不可缺少的重要部分。自动化的物流供输系统包括单机自动装置、自动输送系统等设备。3）自动化的加工系统。自动化的加工系统可以自动进行加工循环，同时可以自动装卸工件。自动化的加工系统代替了工人的体力劳动，减少机械生产加工过程中操作失误的几率，可保证产品的质量和产量。4）自动化的装配系统。自动化的装配系统是将一定几何形状的零配件按照一定的技术要求，通过搬运、组合、调试、检验等步骤，组合为一件成品的工艺过程。装配是保证机械产品质量的重要环节，自动化的装配系统取代了以往依靠工人的复杂操作和技巧进行的装配工作，提高了产品的生产效率和生产质量，是机械自动化技术的一个重要应用。5）自动化的检测过程。随着现代科学技术的不断发展，各种新型材料和刀具、复杂的加工设备不断的被应用到机械制造的过程中，使产品的检测工作难度有所增大，以往依靠人工进行检测的方法已经不能满足发展的要求。所以，自动化的检测过程被引入到机械制造中。包括基于时序、电流信号、人工神经网络对刀具磨损状态的识别、多专家系统的智能设备诊断技术等。1.4机械自动化技术的发展方向和发展前景机械自动化技术的未来发展要时刻以企业生产发展的实际需求为导向，如果背离了这一原则，将会导致我国机械自动化技术发展偏离轨道，不能为社会创造经济效益。只有结合实际，对机械自动化技术进行合理应用，引入的机械自动化技术以实用为准，才会使机械自动化技术产生的效益最大化，提高国民经济效益。在机械自动化技术发展的初期阶段，应寻找低投资和见效速度快的自动化技术。我国的机械自动化技术还处于初期的发展阶段，要加快我国机械自动化技术的发展，就要在现在寻找投资少且见效快的相关自动化技术，这是因为，低成本的自动化技术有较大的潜力和发展前景，其较少的投资和较快的见效速度也让企业有能力发展。率先发展低成本的机械自动化技术，可提高我国机械自动化的进度。我国机械制造企业在发展机械自动化技术时，要以企业中原有的设备为基础，通过调整机床的布局、添加数控设备等手段逐渐发挥自动化信息流的作用，以自动化的信息流为基础，逐渐发展机械自动化的其他应用技术，最后实现机械自动化技术的全面应用。机械自动化技术有着广阔的发展情景，我们要以我国国情为基准，逐步发展机械自动化技术。机械自动化不是一朝一夕就能完成的，实现机械自动化要循序渐进，从简单技术的应用到复杂技术的应用、从低级设备到高级设备的应用、从不完善的系统发展到完善的系统，这需要一个较长的时间。目前我国的机械制造业与发达国家相比，仍然存在着较大差距。在这种情况下盲目发展生产过程的全盘自动化是不合适的，我们缺乏必要的投资能力和技术经验，直接迈向高度机械自动化必然是一个失败的举动。针对我国现在的国情，我国机械自动化的发展前景应是现阶段不断积累技术和经验，采用合适的机械自动化发展方案，在时机成熟时实现全盘自动化。在现在这个阶段，我们要针对生产批量和生产类型的不同，引入合适的自动化设备。例如，大量相同产品进行连续性流水作业的加工中，以自动机床、半自动机床、组合机床等作为自动化设备，品种多的批量生产中，采用可通过更换复合制造单元等部件进行快速调整的自动化设备组成流水线，实现成组自动化。在对国外的技术进行引进时，要合理研究吸收技术的精髓之处，了解其理论基础，并从我国实际情况出发，创造出适合我国发展的机械自动化理论，并将理论推向实际，在不断的学习和发展中，实现我国机械自动化技术的全面应用，达到生产过程的全盘自动化的目标。实现全面的机械制造自动化是我国机械制造行业的前景和发展目标，我们要以这个目标为准，不断进行学习和研究，提高我国机械制造行业的技术能力，保证我国机械制造自动化水平与国际接轨，提高我国机械制造行业的国际竞争力。2.13D打印技术的发展历史3D打印技术出现在20世纪90年代中期，3D打印机是一位意大利名为恩里科·迪尼的发明家设计的一种神奇的打印机，它实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。但由于价格昂贵、技术不成熟，早期并没有得到推广普及。长久以来科学家和技术工作者一直有着一个复制技术的设想，但直到20世纪80年代，3D打印的概念才算真正开始实现。经过20多年的发展，该技术已更加娴熟、精确，且价格有所降低。目前，3D打印技术已经应用到许多学科领域，近几年,“3D打印”成了超前科技的代言词，火遍全球。由于其在制造工艺方面的创新，被认为是“第三次工业革命的重要生产工具”。2.23D打印的工作原理3D打印的工作原理与普通打印基本相同，传统打印机的打印材料是墨水和纸张，只要轻点电脑屏幕上的“打印”按钮，一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上，它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像；而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料，与电脑连接后，以数字模型文件为基础，首先将物品转化为一组3D数据，然后打印机开始逐层分切，针对分切的每一层构建，按层次打印，粉末状金属或塑料等可粘合材料会一层一层地打印出来，层与层之间通过特殊的胶水进行粘合，并按照横截面将图案固定住,最后一层一层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。之所以通俗地称其为“打印机”是参照了普通打印机的技术原理，因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似,这项打印技术称为3D立体打印技术。3D打印演示图如图1-1所示：图1-13D打印演示图