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论3D打印技术在机械自动化中的应用

摘要：3D打印技术的面世，其区别于传统加工的减材制造，采用增材堆积技

术，这一加工技术是基于现有3D建模技术，通过算法对模型进行分层切片，得

出单层数字轮廓坐标及高度Z轴坐标，然后驱动打印部件逐层叠加，最终多层

“薄片”叠加形成实体。目前，3D打印技术在机械自动化行业之中已经得到了广

泛的应用，前景良好，但也存在诸多局限性，需要做好对应的处理与推广工作。

关键词：3D打印技术；机械自动化；自动化技术

1关于3D打印技术的概述

1.1发展历程3D打印技术

虽然近年来日趋成熟，逐步得到认可，作为一种先进制造技术在部分领域被

应用，尤其是计算机技术的发展极大的促进了这一技术的发展。20世纪90年代

初期，美国学者查克赫尔提出了光固化3D成型技术，也称为立体光刻技术，三

年后，第一台商业领域的同类3D打印机面世，同一年，其成立了3Dsystems公

司。90年代末期，该公司其第一台产品SLA－250开始面向社会。同一时期，斯

科特克鲁姆普提出了熔融沉积技术(FDM)，之后Stratasys公司成立。随着技术

的日趋成熟，3D的打印的发展方向也日趋凸显，2012年，奥地利学者研制了高

精度3D打印机，打印成功0．3mm赛车模型，3D打印设备的精度得到飞跃。同一

年，苏格兰学者完成了第一例人造肝脏组织的3D打印。2019年，3D打印骨组织、

心脏等人体组织器官面世。3D打印技术利用其高度定制化、低成本的特点是传统

制造所不具备的，利用这一特色，3D打印技术在各个领域被应用和研究，也衍生

出了多种3D打印方法。

1.2当前3D打印设备研究

基于不同的成型原理的3D打印技术也衍生出了不同3D打印设备，虽然，3D

打印设备随着技术的进步，对于材料的适应性有所提升，但是3D打印设备的制

造精度依旧无法达到和传统加工方式同一水平，所以，设备方面的研究也是3D

打印技术的应用和研究的关键，笔者整理了近一两年的额3D打印设备方面的研

究现状，其研究主要围绕提升精度、力学性能等方面，进行如下阐述。算法方面

的研究，3D打印的关键点通过算法处理得到模型的加工坐标，直接决定了加工精

度和加工路径，间接影响了设备的寿命和精度。针对算法的研究逐步提升，北京

工业大学王卓在文中提出了一种模型的基于三角面片的切片算法和复合轨迹扫描

算法，前者通过单次求解，提高交效率，并优化准确性，后者减少了送料电机的

通断电次数，能有效提高设备寿命和效率。大连理工大学张文怀提出了一种路径

规划算法，通过根据3D打印机控制参数对路径规划进行优化和调整，提高3D打

印的成品质量和成品率。河北工程大学魏效玲等在文中提出了一种通过Z轴方向

特征曲线优化模型外轮廓曲线，避免了STL文件的信息缺失，提高打印精度。四

川大学韩兴国等在文中提出了一种蚁群算法优化模型外形轮廓，提升打印精度和

表面质量，同时提升效率。

2目前3D打印技术在机械制造自动化的应用

2.1机械制造类学科教学

针对较为复杂的零部件及精密机械设备，只有虚拟的视频或图片是难以为学

生详细呈现和讲解的。3D打印技术则能根据实物图便捷、精确地将各种各样的机

械模型打印出来，这样的机械模型能够成为机械制造类专业教师良好的教具，让

[1]

学生更直接地观察，产生直观印象，加深知识理解。不过当下这一辅助教学方

式尚未大范围应用和推广，制约因素主要体现在两个方面:一个是机械制造类专

业教师相对比较熟悉三维建模软件，可以利用相关软件有效地制作三维实体图并

标注，再利用3D打印机进行实体模型的制作;另一个是应用范围受限，在机械制

造类专业学科教学中使用的3D打印机无法量产，即便是专业教学模型也缺少大

的市场空间。所以3D打印技术在机械制造类专业教学中的辅助应用还需要进一

步探索。

2.2机械制造科学研究

开展机械制造领域的科学研究工作是生产力得以提升的重要方式，加大工业

科学研究力度是科学工作者的责任和使命。3D打印技术是很重要的一项科技成果，

应在科学研究中得到广泛的应用。针对机械制造科学研究，应用3D打印技术能

够大大简化建模流程，帮助研发人员节省更多时间，通过打印实物模型把握工作

进度，使科研产品的市场化推广效率更高。

2.