基于计算机技术的材料设计对机械制造自动化的推动作用

李宇昂

（河北省张家口市一中，河北 张家口 075899）

基于计算机技术的材料设计对机械制造自动化的推动作用

李宇昂

（河北省张家口市一中，河北 张家口 075899）

随着科学计算的不断发展，尤其是计算机领域的突飞猛进，机械工业从设计、选材到生产、组装等各个环节都发生了翻天覆地的变化，这些环节的技术都有了明显地革新。机械制造自动化技术作为机械工业生产中重要的一部分，本篇文章主要通过对3D打印技术、机械制造自动化的分析，并以3D打印技术为切入点，浅析基于计算机技术的材料设计对于机械制造自动化的推动作用。

3D打印技术；计算机技术；材料设计；机械制造自动化

近些年来，随着科技的不断发展，具备效率低、劳动力依赖程度高以及成本高等劣势的传统的机械制造已不满足时代发展的要求。因此，如何推动机械制造自动化，成为该领域专家研究的热门课题。与此同时，基于计算机技术的材料设计对于机械制造的自动化发展，有着重要的推动作用。以3D打印技术为例，通过AUTO CAD等设计软件对材料进行设计后，相应的材料会很快地打印出来，这就最大化地推动了机械制造自动化技术的发展，当然，这也得益于当下多个学科的不断发展与融合。与传统的机械制造技术相比，机械制造自动化技术不仅提高了企业的生产力，还很大程度地减少了企业的劳动力成本，带动企业经济平稳增长的同时，也拉动了全球经济的发展。

1 3D打印技术概述

1.1 概念

3D打印技术（3DP）是一种与普通打印原理相同，但具体细节有别与普通打印的打印技术。普通打印在生活中很常见，就是将打印设备与计算机链接，在纸张上打印出二维的内容，主要用于日常的办公中。3D打印虽然也是与计算机连接，但其打印材料不再是纸张而是耐用性尼龙材料、铝材料、橡胶类等原材料，将计算机中任何形状的CAD图形打印成3D实物，用于工业、珠宝、航空航天等领域。

1.2 特点

（1）材料利用率高、制作周期短。同传统去除材料的加工方式相比，3D打印是通过增加材料加工的。这种方式不用剔除边角料，提高了材料的利用率，还缩短了加工的时间，从而加快了产品成型的速度。比如，我们在生产农耕工具时，如果采用传统的机械制造，在生产过程中就会产生过多的边角料，一方面浪费了材料，另一方面还会增加成本，影响销量。但是，如果用3D打印技术来实现生产，就有效地规避了此类问题，还能缩短制造时间。

（2）局限性变小。3D打印作为第三次工业革命最具代表性的产物之一，相比于传统工业生产，无论产品设计理念、制造过程多么复杂，3D打印都可以实现。所以，从这个角度说，3D打印的局限性更小了。

（3）多学科融合的产物。3D打印的原理虽然没有我们想象的复杂，但其同样需要多个学科尖端技术的支持。比如信息技术，3D打印机与计算机相互连接，产品设计的草图需要通过高端的设计软件及一些辅助工具，在计算机中制作出产品的三维数字模型，并结合该模型进行分析，得到产品打印的工序以及打印器材的走向，这对最终产品的成型很重要。

1.3 现状

（1）国外：被多个领域认可，应用非常广。3D打印技术近几年在国内外发展的非常迅速，也得到了多个领域的高度认可，从而被广泛地应用到航空航天、教育业、医疗设备、制造业、建筑业等领域中。从我们必须用的生活用品到尖端的航空航天工程，都可能通过3D打印技术来实现。比如在医疗行业，2010年美国科学家通过3D打印技术成功打印出活体器官，这看上去十分不可思议，但美国的科学家确实做到了，这给了医学治疗更多的发展空间。在瑞士，科学家用3D打印技术制作出了金银纳米墙，可以制造更高性能触摸屏。在德国，今年他们制造出了全球首个船级社认证的3D打印螺旋桨。这样的例子还有很多很多，因此3D打印技术在未来还会被应用到更多的领域，满足人们日益增长的生产和生活需求。

（2）国内：3D打印技术研发力度不够。3D打印技术在我国的发展显然要迟于西方国家，而且应用范围、应用成果都明显不及西方国家。一方面是由于该项技术始于西方，我国只是一个后来的学习者，而另一方面是我国一些3D打印设备制造商投入资金少，不足以支撑科研人员进一步的创新研发。目前，我国3D打印设备的制造商规模小而且数量少，上述的情况还依然存在，虽然近几年3D打印技术在我国发展的前景还不错，但是长此以往该项技术在我国发展的脚步也会停滞不前。除此之外，我国3D打印设备多集中在教育领域，开发的产品也大都是模仿西方国家，每年销售的设备多数是应用于各地高校的教育以及一些职业技术培训机构。

2 机械制造自动化概述

2.1 概念

机械制造自动化简单的说就是用机器设备代替人工，利用计算机技术实现自动化的生产制造。无论哪一种制造过程都有一系列的工序，比如传动动作、换刀动作、操纵动作等，这些工序在传统机械制造中大多是由人工手动完成的。如果这些工序不再依靠手工，而是通过某些机器设备利用计算机自动完成，从初始的原材料到最后的产成品都没有手工制造，这个过程就叫做“自动化”。

2.2 特点

机械制造自动化最大的特点表现为系统性和综合性。系统性体现在机械制造自动化的过程比较复杂，它的每一个环节的原理和信号传输都各有不同，只有保证每一个环节都零差错，才能完成相应工序的动作，从而才能确保最终产品的质量。而机械制造自动化综合性的特点体现在，随着该项技术的不断革新，机械制造自动化开始不仅仅关注产品的质量，同时还在注意设备的可维护性、零件的可替换性等。

3 基于计算机技术的材料设计对于机械制造自动化的推动作用：以3D打印技术为切入点

随着计算机技术的发展，计算机技术辅助材料设计是当前材料设计的主流方向。通过这种方式，不仅使机械制造自动化技术更环保、更智能化，还使其更科学、更高效，具体如下。

3.1 3D打印技术推动机械制造自动化技术更环保

3D打印技术最大的特点技术有效地节约了生产材料，提高了材料利用率。从这个方面来说，计算机技术的材料设计，使机械制造自动化更环保。当前，环保问题是世界各国最为关注的问题，以前的机械制造经常会出现设备消耗大、生产过程中有大量污染物的排放等问题，显然这样的机械制造不满足可持续发展的要求。而在计算机技术的材料设计应用于机械制造自动化中，会大大改善此类问题，提高材料的利用率仅仅是一方面，还有过程中产生的副产品对环境危害的分析等方面。

3.2 3D打印技术推动机械制造自动化技术的智能化

当前，人工智能成为研究的热门，也带动了机械制造自动化技术的发展。例如，从计算机材料设计来看，计算机有了更多的尖端设计软件，能够制作出更为复杂的三维数字模型，那么3D打印技术就可能制造更多的产品，更为突出的是云智能使材料设计的数据库，在不断地扩大，给设计者提供了更多的设计可选方案，机械制造的局限性就更小。此外，在产品的加工方面，人工智能能够实时监控设备运行的状态，对设备内部的故障先做一些简单的处理，维修人员在做进一步的处理，这样避免了出现大型的机械故障。因此，从计算机技术的材料设计使机械制造自动化更智能。

3.3 3D打印技术让机械制造自动化技术更加科学：产品设计方面

3D打印机技术可以用简单的材料进行产品设计的制造，且其打印可选的原材料非常多，这给了产品设计很大的想象空间。众所周知，产品设计是机械制造的源头，一个好的产品设计不仅要考虑到生产过程中可能出现的问题，还要考虑到产品的安全性、可靠性，甚至是对生产过程中对环境的影响程度。而在计算机技术的材料设计被大力推广之后，这些设计师原本需要花很长时间解决的问题，得到了不程度的解决。再加上计算机材料设计本身具有的特点，使得机械制造自动化更科学。

3.4 3D打印技术让机械制造自动化技术更加高效：机械制造过程中

从3D打印技术的应用看，我们不难发现该项技术在应用过程中缩短了产品成型的时间，加快了产品成型的速度。所以说，计算机技术的材料设计使机械制造自动化更高效。材料设计对于新型材料需要通过实验验证其成分、性能是否满足机械制造，这样企业的生产就会延期，而计算机技术的材料设计可以通过计算机完成大量的计算，来检验新型的材料。这样不仅使企业的生产更高效，从某种程度上还相对的减少了企业一些生产成本，更有利于企业实现利润最大化的目标。此外，在缩短材料设计的同时，我们如果可以利用3D打印技术的优势来制造部分零部件，那么在机械制造自动化整个生产过程中，还会进一步缩短产品生产周期，而且还能保证产品的质量，这样一个两全其美的方法，机械制造企业不妨可以试一试。

4 结语

总之，基于计算机技术的材料设计，对于机械制造自动化有着重要的促进作用。此外，3D打印技术的发展与逐步成熟，是多学科不断融合的结果，其对于产业结构的调整以及转型有着重要的现实意义。当然，我们也要看到，一方面目前基于计算机技术的材料设计，在我国机械制造领域的应用还不够深、融合度不高等缺陷，另一方面，机械制造的自动化光靠计算机技术还远远不够，创新的技术理念也是关键因素。但是，我们相信，未来我国机械制造自动化很快会进入下一个发展阶段。

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