張廣耀 唐紹華

摘要：本文對“3D打印-精加工”模式的3D打印設備專利申請進行了介紹，從歷年申請量、申請人、重點技術分析等方面著手，探討了國內外“3D打印-精加工”模式的3D打印設備的發(fā)展狀況，并對3D打印機行業(yè)的發(fā)展提出了建議。

關鍵詞：3D打印;精加工;專利

中圖分類號：TB476 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）21-0059-03

Abstract： Patent application of “3D printing – finishing” mode’s 3D printer especially is introduced in this paper. It discusses the “3D printing – finishing” 3D printer at home and abroad from the aspects of application quantity， applicants and key technical analysis and puts forward some suggestions for the development of 3D printer industry.

Key words： 3D printing;finishing;patent

1 背景

“3D打印”這一概念最早是在20世紀80年代提出的，1986年Charles Hull開發(fā)第一臺3D打印機，至今，3D打印已有30多年的發(fā)展歷史了。3D打印技術由于其簡化制造工藝、減少物料和能源消耗、提高設計效率和制造速度等優(yōu)點，備受人們關注，英國《經濟學人》雜志更是將3D打印稱作是第三次工業(yè)革命的重要標志之一，并提出3D打印技術將與機器人、人工智能等其他數字化制造技術共同推動新工業(yè)革命的興起。

傳統的3D打印過程中，通常經過三維建模、分層處理、疊加打印等過程，以得到零件、模具、人體器官等制品，但是直接打印的產品難免會有飛邊、毛刺等粗糙面，而且對于高精度制品，只能通過減小噴頭出絲直徑來獲取，但無限的減小噴頭出絲直徑又會導致生產效率無限降低，對于大尺寸的產品成型需要更多時間，因此，對于需要獲得質量高、精度要求高的制品，往往要借助后加工處理，如切削加工等。將3D打印技術與傳統的數控加工技術聯用，形成“3D打印-精加工”的模式可以降低3D打印的制造難度、提高產品制造速度。

對于“3D打印-精加工”模式的3D打印，一般是在建模過程時增加一定的加工余量，待3D打印完成或者3D打印的同時，通過切削處理等，將多余的物料除去，以得到表面質量高、精度高的產品[1-4]。

本文通過IPC分類號和關鍵詞對中外專利進行檢索，獲得176篇相關專利文獻，數據截止日期為2018年12月公開的專利文獻。

2 “3D打印-精加工”專利申請情況

對“3D打印-精加工”模式的3D打印設備的歷年專利申請情況進行分析，由圖1可知：該模式的3D打印設備自2012年得到較快發(fā)展，一方面由于3D打印技術的日益成熟，相比于傳統制造技術，3D打印技術具有無需借助模具可直接從計算機圖形數據生成任何形狀的零件而大幅縮短生產周期的優(yōu)點，使得3D打印技術在工業(yè)生產的應用得到更多關注;另一方面也得益于3D打印設備的進一步發(fā)展，人們對打印出的零部件的精度也要求越來越高，而3D打印屬于增材制造，傳統的機加工多屬于減材制造，為生產出更符合大眾要求的3D產品，結合機加工中數控技術的成熟應用，對3D產品進行進一步的機加工應運而生，“3D打印-精加工”模式的3D打印設備一并得到快速發(fā)展。

由圖2可以看出：企業(yè)、高校、個人都對“3D打印-精加工”模式的3D打印設備進行了深入研究，究其原因是3D打印產品要蓬勃發(fā)展最終還是要得以應用，這就要求在3D打印過程中或結束對3D產品進行機加工或者雕刻，以得到符合應用要求的產品。企業(yè)為占領市場加大研究，3D打印-精加工也備受高校研究者的追捧，個人研究的高漲也顯示了對3D打印-精加工設備的迫切需要。

在統計的176篇有關“3D打印-精加工”模式的3D打印設備的專利中，中國專利申請排在首位，中國涌現了許多3D打印企業(yè)，且隨著大眾對知識產權保護意識的增加，中國申請量較大，涉及范圍較廣;其次是日本，日本是傳統模具行業(yè)的領頭羊，其模具制造行業(yè)代表了國際發(fā)展水平，同樣對于“3D打印-精加工”也進行了廣泛研究;同樣美國、德國、英國、韓國、加拿大等對“3D打印-精加工”也進行了大量研究。

3 關鍵技術分析

對于3D打印和精加工的聯用方式的3D打印設備，主要集中在以下三種結構：（I）3D打印-移動-精加工、（II）3D打印-原地精加工、（III）逐層打印-逐層精加工，結合圖3可以看出，對于這三種結構的3D打印設備專利，第一種技術是3D打印與精加工的簡單疊加，相對比較簡單，申請量相對較少;第二種技術是一種較新的技術，由于其設備集成度高，深受研究人員的追捧;而對于第三種技術，由于過程比較復雜，因此申請量相對較少，但仍然是研究的重點方向之一（見圖3）。

3.1 3D打印-移動-精加工

“3D打印-移動-精加工”的模式即通過常規(guī)的3D打印方法成型制品，然后將制品通過機械手、傳送帶等方式傳送至另一個加工位置，進行精加工，這種方法一般是在原有的3D打印設備上增加傳送設備、切削設備等，原有設備能夠繼續(xù)使用，減小設備投入成本，根據3D打印、精加工等過程的時間、節(jié)拍對加工流水線進行調整、匹配，充分利用現有設備，避免了設備閑置，保證產品精度的同時提高工作效率，節(jié)約成本。

例如，CN203937192U公開了一種集成有后續(xù)加工功能的3D打印設備，包括3D打印機本體和后處理設備，3D打印機本體用來完成工件的打印成型制作，后處理設備包括加工中心及用來將工件從3D打印機本體內轉移至加工中心的工件轉移組件，加工中心內包括移動平臺和加工刀具總成，工件轉移組件采用機械手臂機構，通過機械手臂機構中的移動部件驅動機械手往返運動于3D打印機本體與加工中心之間。通過這種設備，不僅能夠得到高精度產品，同時只需要在原有的3D打印設備后續(xù)添加機械手、切削刀具等，降低了設備成本。

3.2 3D打印-原地精加工

“3D打印-原地精加工”模式的3D打印設備，一般是將3D打印噴頭和精加工刀具一體集中，利用這種方法可以精簡打印設備，避免了產品在轉移過程中的損壞，節(jié)約生產空間。

公開號為CN205416382U的中國實用新型專利提供了一種自動切換主軸的多功能3D打印設備，如圖4所示，包括：3D打印機底座;3D打印機支架;X軸模組，X軸模組由設置在3D打印機支架頂部的第一電機驅動在3D打印機支架上上下運動;刀盤電機座，刀盤電機座內安裝刀盤電機，刀盤電機座由設置在X軸模組一側的第二電機驅動沿水平方向運動;打印物體支撐平臺，打印物體支撐平臺由設置在3D打印機底座上的第三電機驅動沿水平方向運動;安裝在刀盤電機輸出軸上并且隨刀盤電機輸出軸的轉動而轉動的刀盤，刀盤用于安裝3D打印主軸或者機床主軸。該設備可自動切換主軸，實現3D打印、激光切割、激光雕刻、銑削加工、鉚接加工、超聲波輔助加工等多種功能。

3.3 逐層打印-逐層精加工

“逐層打印-逐層精加工”這種模式的3D打印設備繼承了“3D打印-原地精加工”模式的3D打印精簡設備的優(yōu)點，但產品精度更高，由于該設備是逐層打印、逐層精加工，因此生產效率有所降低;此外，對于控制裝置在打印過程中控制打印頭、刀具的切換，定位、數據處理等更為復雜。

公開號為JP特開2007-146216A的日本專利公開了一種低成本三維物體制造裝置，如圖5所示，該裝置包括成型機、光學裝置和精加工工作機，成型機、光學裝置為傳統的激光燒結粉末成型設備，激光燒結粉末成型設備進行層層燒結，當燒結層的總厚度達到成型機銑刀的長度值時，成型機的銑刀對燒結層進行精加工，例如層壓該燒結層，精加工完成后重復粉末鋪層與燒結步驟。本申請通過逐層燒結與同時分層精加工可以獲得期望形狀的三維物體。

4 結語

通過以上分析可知，隨著3D打印機的不斷進步與發(fā)展，對產品質量、精度需求的不斷提升，“3D打印-精加工”的模式的3D打印設備也在不斷更新、發(fā)展，對于傳統的機械加工與3D打印的聯合方式的研究也在飛速前進，對未來我國裝備制造業(yè)的發(fā)展具有重大推進作用。而 “3D打印-原地精加工”模式是3D打印與機加工聯用的主要方式，對于如何在生產過程中利用增材與減材相結合，將切削的材料直接利用于增材，從而打破傳統的增材與減材的加工方式，實現新型的綠色加工形式是3D打印與精加工聯用的難點。

參考文獻：

[1] 王至堯.增材制造3D打印未來[J].熱點關注，2013（6）：14-17.

[2] 董莘.“打印-加工”一體式3D打印技術的研究[J].自動化技術與應用，2015，34（12）：98-101.

[3] 袁婷婷.桌面型增減材復合數控機床結構設計與分析[J].機械制造，2017，55（638）：14-17.

[4] 王運贛，王宣.3D打印技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2014.