李宇昂

（河北省張家口市一中，河北 張家口 075899）

基于計算機技術的材料設計對機械制造自動化的推動作用

李宇昂

（河北省張家口市一中，河北 張家口 075899）

隨著科學計算的不斷發(fā)展，尤其是計算機領域的突飛猛進，機械工業(yè)從設計、選材到生產(chǎn)、組裝等各個環(huán)節(jié)都發(fā)生了翻天覆地的變化，這些環(huán)節(jié)的技術都有了明顯地革新。機械制造自動化技術作為機械工業(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、機械制造自動化的分析，并以3D打印技術為切入點，淺析基于計算機技術的材料設計對于機械制造自動化的推動作用。

3D打印技術；計算機技術；材料設計；機械制造自動化

近些年來，隨著科技的不斷發(fā)展，具備效率低、勞動力依賴程度高以及成本高等劣勢的傳統(tǒng)的機械制造已不滿足時代發(fā)展的要求。因此，如何推動機械制造自動化，成為該領域?qū)＜已芯康臒衢T課題。與此同時，基于計算機技術的材料設計對于機械制造的自動化發(fā)展，有著重要的推動作用。以3D打印技術為例，通過AUTO CAD等設計軟件對材料進行設計后，相應的材料會很快地打印出來，這就最大化地推動了機械制造自動化技術的發(fā)展，當然，這也得益于當下多個學科的不斷發(fā)展與融合。與傳統(tǒng)的機械制造技術相比，機械制造自動化技術不僅提高了企業(yè)的生產(chǎn)力，還很大程度地減少了企業(yè)的勞動力成本，帶動企業(yè)經(jīng)濟平穩(wěn)增長的同時，也拉動了全球經(jīng)濟的發(fā)展。

1 3D打印技術概述

1.1 概念

3D打印技術（3DP）是一種與普通打印原理相同，但具體細節(jié)有別與普通打印的打印技術。普通打印在生活中很常見，就是將打印設備與計算機鏈接，在紙張上打印出二維的內(nèi)容，主要用于日常的辦公中。3D打印雖然也是與計算機連接，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，將計算機中任何形狀的CAD圖形打印成3D實物，用于工業(yè)、珠寶、航空航天等領域。

1.2 特點

（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，如果采用傳統(tǒng)的機械制造，在生產(chǎn)過程中就會產(chǎn)生過多的邊角料，一方面浪費了材料，另一方面還會增加成本，影響銷量。但是，如果用3D打印技術來實現(xiàn)生產(chǎn)，就有效地規(guī)避了此類問題，還能縮短制造時間。

（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)品設計理念、制造過程多么復雜，3D打印都可以實現(xiàn)。所以，從這個角度說，3D打印的局限性更小了。

（3）多學科融合的產(chǎn)物。3D打印的原理雖然沒有我們想象的復雜，但其同樣需要多個學科尖端技術的支持。比如信息技術，3D打印機與計算機相互連接，產(chǎn)品設計的草圖需要通過高端的設計軟件及一些輔助工具，在計算機中制作出產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，并結(jié)合該模型進行分析，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：被多個領域認可，應用非常廣。3D打印技術近幾年在國內(nèi)外發(fā)展的非常迅速，也得到了多個領域的高度認可，從而被廣泛地應用到航空航天、教育業(yè)、醫(yī)療設備、制造業(yè)、建筑業(yè)等領域中。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打印技術來實現(xiàn)。比如在醫(yī)療行業(yè)，2010年美國科學家通過3D打印技術成功打印出活體器官，這看上去十分不可思議，但美國的科學家確實做到了，這給了醫(yī)學治療更多的發(fā)展空間。在瑞士，科學家用3D打印技術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船級社認證的3D打印螺旋槳。這樣的例子還有很多很多，因此3D打印技術在未來還會被應用到更多的領域，滿足人們?nèi)找嬖鲩L的生產(chǎn)和生活需求。

（2）國內(nèi)：3D打印技術研發(fā)力度不夠。3D打印技術在我國的發(fā)展顯然要遲于西方國家，而且應用范圍、應用成果都明顯不及西方國家。一方面是由于該項技術始于西方，我國只是一個后來的學習者，而另一方面是我國一些3D打印設備制造商投入資金少，不足以支撐科研人員進一步的創(chuàng)新研發(fā)。目前，我國3D打印設備的制造商規(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打印技術在我國發(fā)展的前景還不錯，但是長此以往該項技術在我國發(fā)展的腳步也會停滯不前。除此之外，我國3D打印設備多集中在教育領域，開發(fā)的產(chǎn)品也大都是模仿西方國家，每年銷售的設備多數(shù)是應用于各地高校的教育以及一些職業(yè)技術培訓機構(gòu)。

2 機械制造自動化概述

2.1 概念

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

2.2 特點

機械制造自動化最大的特點表現(xiàn)為系統(tǒng)性和綜合性。系統(tǒng)性體現(xiàn)在機械制造自動化的過程比較復雜，它的每一個環(huán)節(jié)的原理和信號傳輸都各有不同，只有保證每一個環(huán)節(jié)都零差錯，才能完成相應工序的動作，從而才能確保最終產(chǎn)品的質(zhì)量。而機械制造自動化綜合性的特點體現(xiàn)在，隨著該項技術的不斷革新，機械制造自動化開始不僅僅關注產(chǎn)品的質(zhì)量，同時還在注意設備的可維護性、零件的可替換性等。

3 基于計算機技術的材料設計對于機械制造自動化的推動作用：以3D打印技術為切入點

隨著計算機技術的發(fā)展，計算機技術輔助材料設計是當前材料設計的主流方向。通過這種方式，不僅使機械制造自動化技術更環(huán)保、更智能化，還使其更科學、更高效，具體如下。

3.1 3D打印技術推動機械制造自動化技術更環(huán)保

3D打印技術最大的特點技術有效地節(jié)約了生產(chǎn)材料，提高了材料利用率。從這個方面來說，計算機技術的材料設計，使機械制造自動化更環(huán)保。當前，環(huán)保問題是世界各國最為關注的問題，以前的機械制造經(jīng)常會出現(xiàn)設備消耗大、生產(chǎn)過程中有大量污染物的排放等問題，顯然這樣的機械制造不滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。而在計算機技術的材料設計應用于機械制造自動化中，會大大改善此類問題，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打印技術推動機械制造自動化技術的智能化

當前，人工智能成為研究的熱門，也帶動了機械制造自動化技術的發(fā)展。例如，從計算機材料設計來看，計算機有了更多的尖端設計軟件，能夠制作出更為復雜的三維數(shù)字模型，那么3D打印技術就可能制造更多的產(chǎn)品，更為突出的是云智能使材料設計的數(shù)據(jù)庫，在不斷地擴大，給設計者提供了更多的設計可選方案，機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監(jiān)控設備運行的狀態(tài)，對設備內(nèi)部的故障先做一些簡單的處理，維修人員在做進一步的處理，這樣避免了出現(xiàn)大型的機械故障。因此，從計算機技術的材料設計使機械制造自動化更智能。

3.3 3D打印技術讓機械制造自動化技術更加科學：產(chǎn)品設計方面

3D打印機技術可以用簡單的材料進行產(chǎn)品設計的制造，且其打印可選的原材料非常多，這給了產(chǎn)品設計很大的想象空間。眾所周知，產(chǎn)品設計是機械制造的源頭，一個好的產(chǎn)品設計不僅要考慮到生產(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。而在計算機技術的材料設計被大力推廣之后，這些設計師原本需要花很長時間解決的問題，得到了不程度的解決。再加上計算機材料設計本身具有的特點，使得機械制造自動化更科學。

3.4 3D打印技術讓機械制造自動化技術更加高效：機械制造過程中

從3D打印技術的應用看，我們不難發(fā)現(xiàn)該項技術在應用過程中縮短了產(chǎn)品成型的時間，加快了產(chǎn)品成型的速度。所以說，計算機技術的材料設計使機械制造自動化更高效。材料設計對于新型材料需要通過實驗驗證其成分、性能是否滿足機械制造，這樣企業(yè)的生產(chǎn)就會延期，而計算機技術的材料設計可以通過計算機完成大量的計算，來檢驗新型的材料。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)實現(xiàn)利潤最大化的目標。此外，在縮短材料設計的同時，我們?nèi)绻梢岳?D打印技術的優(yōu)勢來制造部分零部件，那么在機械制造自動化整個生產(chǎn)過程中，還會進一步縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，而且還能保證產(chǎn)品的質(zhì)量，這樣一個兩全其美的方法，機械制造企業(yè)不妨可以試一試。

4 結(jié)語

總之，基于計算機技術的材料設計，對于機械制造自動化有著重要的促進作用。此外，3D打印技術的發(fā)展與逐步成熟，是多學科不斷融合的結(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)實意義。當然，我們也要看到，一方面目前基于計算機技術的材料設計，在我國機械制造領域的應用還不夠深、融合度不高等缺陷，另一方面，機械制造的自動化光靠計算機技術還遠遠不夠，創(chuàng)新的技術理念也是關鍵因素。但是，我們相信，未來我國機械制造自動化很快會進入下一個發(fā)展階段。

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