李宇昂

（河北省張家口市一中，河北 張家口 075899）

基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的材料設(shè)計(jì)對機(jī)械制造自動(dòng)化的推動(dòng)作用

李宇昂

（河北省張家口市一中，河北 張家口 075899）

隨著科學(xué)計(jì)算的不斷發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的突飛猛進(jìn)，機(jī)械工業(yè)從設(shè)計(jì)、選材到生產(chǎn)、組裝等各個(gè)環(huán)節(jié)都發(fā)生了翻天覆地的變化，這些環(huán)節(jié)的技術(shù)都有了明顯地革新。機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)作為機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)中重要的一部分，本篇文章主要通過對3D打印技術(shù)、機(jī)械制造自動(dòng)化的分析，并以3D打印技術(shù)為切入點(diǎn)，淺析基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的材料設(shè)計(jì)對于機(jī)械制造自動(dòng)化的推動(dòng)作用。

3D打印技術(shù)；計(jì)算機(jī)技術(shù)；材料設(shè)計(jì)；機(jī)械制造自動(dòng)化

近些年來，隨著科技的不斷發(fā)展，具備效率低、勞動(dòng)力依賴程度高以及成本高等劣勢的傳統(tǒng)的機(jī)械制造已不滿足時(shí)代發(fā)展的要求。因此，如何推動(dòng)機(jī)械制造自動(dòng)化，成為該領(lǐng)域?qū)＜已芯康臒衢T課題。與此同時(shí)，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的材料設(shè)計(jì)對于機(jī)械制造的自動(dòng)化發(fā)展，有著重要的推動(dòng)作用。以3D打印技術(shù)為例，通過AUTO CAD等設(shè)計(jì)軟件對材料進(jìn)行設(shè)計(jì)后，相應(yīng)的材料會(huì)很快地打印出來，這就最大化地推動(dòng)了機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)然，這也得益于當(dāng)下多個(gè)學(xué)科的不斷發(fā)展與融合。與傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)相比，機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)不僅提高了企業(yè)的生產(chǎn)力，還很大程度地減少了企業(yè)的勞動(dòng)力成本，帶動(dòng)企業(yè)經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)增長的同時(shí)，也拉動(dòng)了全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1 3D打印技術(shù)概述

1.1 概念

3D打印技術(shù)（3DP）是一種與普通打印原理相同，但具體細(xì)節(jié)有別與普通打印的打印技術(shù)。普通打印在生活中很常見，就是將打印設(shè)備與計(jì)算機(jī)鏈接，在紙張上打印出二維的內(nèi)容，主要用于日常的辦公中。3D打印雖然也是與計(jì)算機(jī)連接，但其打印材料不再是紙張而是耐用性尼龍材料、鋁材料、橡膠類等原材料，將計(jì)算機(jī)中任何形狀的CAD圖形打印成3D實(shí)物，用于工業(yè)、珠寶、航空航天等領(lǐng)域。

1.2 特點(diǎn)

（1）材料利用率高、制作周期短。同傳統(tǒng)去除材料的加工方式相比，3D打印是通過增加材料加工的。這種方式不用剔除邊角料，提高了材料的利用率，還縮短了加工的時(shí)間，從而加快了產(chǎn)品成型的速度。比如，我們在生產(chǎn)農(nóng)耕工具時(shí)，如果采用傳統(tǒng)的機(jī)械制造，在生產(chǎn)過程中就會(huì)產(chǎn)生過多的邊角料，一方面浪費(fèi)了材料，另一方面還會(huì)增加成本，影響銷量。但是，如果用3D打印技術(shù)來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)，就有效地規(guī)避了此類問題，還能縮短制造時(shí)間。

（2）局限性變小。3D打印作為第三次工業(yè)革命最具代表性的產(chǎn)物之一，相比于傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)，無論產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念、制造過程多么復(fù)雜，3D打印都可以實(shí)現(xiàn)。所以，從這個(gè)角度說，3D打印的局限性更小了。

（3）多學(xué)科融合的產(chǎn)物。3D打印的原理雖然沒有我們想象的復(fù)雜，但其同樣需要多個(gè)學(xué)科尖端技術(shù)的支持。比如信息技術(shù)，3D打印機(jī)與計(jì)算機(jī)相互連接，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的草圖需要通過高端的設(shè)計(jì)軟件及一些輔助工具，在計(jì)算機(jī)中制作出產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，并結(jié)合該模型進(jìn)行分析，得到產(chǎn)品打印的工序以及打印器材的走向，這對最終產(chǎn)品的成型很重要。

1.3 現(xiàn)狀

（1）國外：被多個(gè)領(lǐng)域認(rèn)可，應(yīng)用非常廣。3D打印技術(shù)近幾年在國內(nèi)外發(fā)展的非常迅速，也得到了多個(gè)領(lǐng)域的高度認(rèn)可，從而被廣泛地應(yīng)用到航空航天、教育業(yè)、醫(yī)療設(shè)備、制造業(yè)、建筑業(yè)等領(lǐng)域中。從我們必須用的生活用品到尖端的航空航天工程，都可能通過3D打印技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。比如在醫(yī)療行業(yè)，2010年美國科學(xué)家通過3D打印技術(shù)成功打印出活體器官，這看上去十分不可思議，但美國的科學(xué)家確實(shí)做到了，這給了醫(yī)學(xué)治療更多的發(fā)展空間。在瑞士，科學(xué)家用3D打印技術(shù)制作出了金銀納米墻，可以制造更高性能觸摸屏。在德國，今年他們制造出了全球首個(gè)船級(jí)社認(rèn)證的3D打印螺旋槳。這樣的例子還有很多很多，因此3D打印技術(shù)在未來還會(huì)被應(yīng)用到更多的領(lǐng)域，滿足人們?nèi)找嬖鲩L的生產(chǎn)和生活需求。

（2）國內(nèi)：3D打印技術(shù)研發(fā)力度不夠。3D打印技術(shù)在我國的發(fā)展顯然要遲于西方國家，而且應(yīng)用范圍、應(yīng)用成果都明顯不及西方國家。一方面是由于該項(xiàng)技術(shù)始于西方，我國只是一個(gè)后來的學(xué)習(xí)者，而另一方面是我國一些3D打印設(shè)備制造商投入資金少，不足以支撐科研人員進(jìn)一步的創(chuàng)新研發(fā)。目前，我國3D打印設(shè)備的制造商規(guī)模小而且數(shù)量少，上述的情況還依然存在，雖然近幾年3D打印技術(shù)在我國發(fā)展的前景還不錯(cuò)，但是長此以往該項(xiàng)技術(shù)在我國發(fā)展的腳步也會(huì)停滯不前。除此之外，我國3D打印設(shè)備多集中在教育領(lǐng)域，開發(fā)的產(chǎn)品也大都是模仿西方國家，每年銷售的設(shè)備多數(shù)是應(yīng)用于各地高校的教育以及一些職業(yè)技術(shù)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)。

2 機(jī)械制造自動(dòng)化概述

2.1 概念

機(jī)械制造自動(dòng)化簡單的說就是用機(jī)器設(shè)備代替人工，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的生產(chǎn)制造。無論哪一種制造過程都有一系列的工序，比如傳動(dòng)動(dòng)作、換刀動(dòng)作、操縱動(dòng)作等，這些工序在傳統(tǒng)機(jī)械制造中大多是由人工手動(dòng)完成的。如果這些工序不再依靠手工，而是通過某些機(jī)器設(shè)備利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，從初始的原材料到最后的產(chǎn)成品都沒有手工制造，這個(gè)過程就叫做“自動(dòng)化”。

2.2 特點(diǎn)

機(jī)械制造自動(dòng)化最大的特點(diǎn)表現(xiàn)為系統(tǒng)性和綜合性。系統(tǒng)性體現(xiàn)在機(jī)械制造自動(dòng)化的過程比較復(fù)雜，它的每一個(gè)環(huán)節(jié)的原理和信號(hào)傳輸都各有不同，只有保證每一個(gè)環(huán)節(jié)都零差錯(cuò)，才能完成相應(yīng)工序的動(dòng)作，從而才能確保最終產(chǎn)品的質(zhì)量。而機(jī)械制造自動(dòng)化綜合性的特點(diǎn)體現(xiàn)在，隨著該項(xiàng)技術(shù)的不斷革新，機(jī)械制造自動(dòng)化開始不僅僅關(guān)注產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)還在注意設(shè)備的可維護(hù)性、零件的可替換性等。

3 基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的材料設(shè)計(jì)對于機(jī)械制造自動(dòng)化的推動(dòng)作用：以3D打印技術(shù)為切入點(diǎn)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助材料設(shè)計(jì)是當(dāng)前材料設(shè)計(jì)的主流方向。通過這種方式，不僅使機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)更環(huán)保、更智能化，還使其更科學(xué)、更高效，具體如下。

3.1 3D打印技術(shù)推動(dòng)機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)更環(huán)保

3D打印技術(shù)最大的特點(diǎn)技術(shù)有效地節(jié)約了生產(chǎn)材料，提高了材料利用率。從這個(gè)方面來說，計(jì)算機(jī)技術(shù)的材料設(shè)計(jì)，使機(jī)械制造自動(dòng)化更環(huán)保。當(dāng)前，環(huán)保問題是世界各國最為關(guān)注的問題，以前的機(jī)械制造經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)設(shè)備消耗大、生產(chǎn)過程中有大量污染物的排放等問題，顯然這樣的機(jī)械制造不滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。而在計(jì)算機(jī)技術(shù)的材料設(shè)計(jì)應(yīng)用于機(jī)械制造自動(dòng)化中，會(huì)大大改善此類問題，提高材料的利用率僅僅是一方面，還有過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品對環(huán)境危害的分析等方面。

3.2 3D打印技術(shù)推動(dòng)機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)的智能化

當(dāng)前，人工智能成為研究的熱門，也帶動(dòng)了機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。例如，從計(jì)算機(jī)材料設(shè)計(jì)來看，計(jì)算機(jī)有了更多的尖端設(shè)計(jì)軟件，能夠制作出更為復(fù)雜的三維數(shù)字模型，那么3D打印技術(shù)就可能制造更多的產(chǎn)品，更為突出的是云智能使材料設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫，在不斷地?cái)U(kuò)大，給設(shè)計(jì)者提供了更多的設(shè)計(jì)可選方案，機(jī)械制造的局限性就更小。此外，在產(chǎn)品的加工方面，人工智能能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)，對設(shè)備內(nèi)部的故障先做一些簡單的處理，維修人員在做進(jìn)一步的處理，這樣避免了出現(xiàn)大型的機(jī)械故障。因此，從計(jì)算機(jī)技術(shù)的材料設(shè)計(jì)使機(jī)械制造自動(dòng)化更智能。

3.3 3D打印技術(shù)讓機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)更加科學(xué)：產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面

3D打印機(jī)技術(shù)可以用簡單的材料進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的制造，且其打印可選的原材料非常多，這給了產(chǎn)品設(shè)計(jì)很大的想象空間。眾所周知，產(chǎn)品設(shè)計(jì)是機(jī)械制造的源頭，一個(gè)好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)不僅要考慮到生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的問題，還要考慮到產(chǎn)品的安全性、可靠性，甚至是對生產(chǎn)過程中對環(huán)境的影響程度。而在計(jì)算機(jī)技術(shù)的材料設(shè)計(jì)被大力推廣之后，這些設(shè)計(jì)師原本需要花很長時(shí)間解決的問題，得到了不程度的解決。再加上計(jì)算機(jī)材料設(shè)計(jì)本身具有的特點(diǎn)，使得機(jī)械制造自動(dòng)化更科學(xué)。

3.4 3D打印技術(shù)讓機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)更加高效：機(jī)械制造過程中

從3D打印技術(shù)的應(yīng)用看，我們不難發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)技術(shù)在應(yīng)用過程中縮短了產(chǎn)品成型的時(shí)間，加快了產(chǎn)品成型的速度。所以說，計(jì)算機(jī)技術(shù)的材料設(shè)計(jì)使機(jī)械制造自動(dòng)化更高效。材料設(shè)計(jì)對于新型材料需要通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其成分、性能是否滿足機(jī)械制造，這樣企業(yè)的生產(chǎn)就會(huì)延期，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的材料設(shè)計(jì)可以通過計(jì)算機(jī)完成大量的計(jì)算，來檢驗(yàn)新型的材料。這樣不僅使企業(yè)的生產(chǎn)更高效，從某種程度上還相對的減少了企業(yè)一些生產(chǎn)成本，更有利于企業(yè)實(shí)現(xiàn)利潤最大化的目標(biāo)。此外，在縮短材料設(shè)計(jì)的同時(shí)，我們?nèi)绻梢岳?D打印技術(shù)的優(yōu)勢來制造部分零部件，那么在機(jī)械制造自動(dòng)化整個(gè)生產(chǎn)過程中，還會(huì)進(jìn)一步縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，而且還能保證產(chǎn)品的質(zhì)量，這樣一個(gè)兩全其美的方法，機(jī)械制造企業(yè)不妨可以試一試。

4 結(jié)語

總之，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的材料設(shè)計(jì)，對于機(jī)械制造自動(dòng)化有著重要的促進(jìn)作用。此外，3D打印技術(shù)的發(fā)展與逐步成熟，是多學(xué)科不斷融合的結(jié)果，其對于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及轉(zhuǎn)型有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)然，我們也要看到，一方面目前基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的材料設(shè)計(jì)，在我國機(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用還不夠深、融合度不高等缺陷，另一方面，機(jī)械制造的自動(dòng)化光靠計(jì)算機(jī)技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，創(chuàng)新的技術(shù)理念也是關(guān)鍵因素。但是，我們相信，未來我國機(jī)械制造自動(dòng)化很快會(huì)進(jìn)入下一個(gè)發(fā)展階段。

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