论文部分内容阅读
摘 要：针对制造型企业生产设备因非标配件短缺无法实施快速维修的问题，提出了根据快速原型制造技术特点对机械设备各种非标配件采用快速原型制造的方式来自行生产备件的设想。并且从高附加值精密机械设备，尤其是国外进口设备备件购买周期长、种类繁多、库存庞大、分类管理复杂、备件库存长期在库占用大量企业流动资金等实际问题出发，对快速原型制造技术在设备维修领域中应用的意义和社会价值等多个方面进行重点的分析，论述了对设备维修领域采用快速原型制造的必要性和发展趋势。
关键词：快速原型制造技术、离散-堆积原理、产品三维数据模型、设备维修
引言
对于制造一款很酷的产品或者某种相当精密、复杂的机械零件可能很多人都会想到这只是在加工工厂才能完成的事情。就在制造业如此发达的当今社会一个普通人在没有生产车间和加工设备的情况下就能够很轻松的生产出具有较高精度的机械零件或者极具个性化的产品也是一件很难想象的事情，而这一切已经成为现实。消费者用电脑从网上下载产品，严格地说是下载产品的三维几何数据模型，然后根据自己的喜好进行个性化定制，把最终的数据信息发送到一台机器上，放进原材料后机器就会按照程序一层一层地把产品制造出来，这就是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术--增材制造技术。
1 快速原型制造技术的发展历史和特点
基于离散-堆积原理的快速原型制造技术（Rapid Prototyping Manufacturing）又称为"增材制造技术（Additive Manufacturing，AM）、三维打印（3D Printing ）、实体自由制造（Solid Free-form Fabrication） "是一种由三维几何数据模型直接驱动采用材料逐层累加的方法快速制造出任意复杂形状三维实体的技术，其基本制造原理是将专业设计软件中的产品三维数据模型按照一定的工艺要求对模型进行离散处理，然后将离散分层数据输入成型设备中，在计算机控制下以平面加工方式有序逐层的堆积成形产品模型。相对于传统的材料去除成形加工技术，是一种"自下而上"的全新制造方法，制造业将其称为"具有工业革命意义的制造技术"。
快速原型技术的核心制造思想最早起源于十九世纪末的美国，起初是用于照相雕塑和地貌成形方面的研究，二十世纪八十年代后期逐步发展成熟并被广泛应用于工业产品制造成形领域。近年来，快速原型制造技術并没有仅仅停留在制作原型上，而是向着用于快速制作金属模具乃至实际产品中使用的功能性塑料零件和金属零件的方向发展。快速原型制造已经具有了制造最终产品的功能，它的内涵正从快速原型制造向快速制造（RM，Rapid Manufacturing）的方式转变。与传统去除材料加工方式不同，"增材制造"方式具有许多优点。首先无需原胚、模具和专业的夹具，直接根据产品三维数据模型就能通过增加材料的方法生成任何复杂的三维几何实体，其次在制造过程中几乎不需要人工干预就能够完成整个制造过程，产品制造精度高品质不受人工技术水平高低的限制，再次由于省去了各种传统加工工艺简化了产品制造程序，所以缩短了产品的开发周期，提高了制造效率并且降低了制造成本。
2 快速原型制造技术在设备维修领域中的应用
工业化大生产环境下产品制造企业总是希望组成生产线的每台设备在保持制造精度的前提下高速稳定的持续运转，但设备管理部门总会遇到这样的问题：为提高设备维修效率，不断的对设备维修人员进行培训、购买适合设备维修作业的工具和品种繁多、数量庞大的设备备件，而当真正出现设备故障时，偏偏需要的备件没有购买或者是在库数量不足。由于损坏的部件无法及时更换上新的备件导致停机时间延长，给企业造成了极大的经济损失。而另一方面数量庞大的设备备件的存在又产生了许多附加制造成本占用了场地、消耗了宝贵的流动资金。备件的日常管理工作细碎繁杂，缺乏设备维修经验的管理者有时很难确定全部设备非标备件的安全库存量，而一些进口设备的非标备件购买周期漫长且价格昂贵，有时甚至遇到该型号设备已经停产造成备件无法获得的情况。从设备技术手册中往往找到的是备件的二维工程图纸，要想得到备件只能将备件工程图纸发往特定的加工工厂时间成本巨大。需要进行维修更换的非标备件通常数量极小加之备件本身材质的不同，有时一两个金属材质的备件根本无法使用数控加工，十多个塑料材质的备件受生产成本制约有时根本无法开模具制造，以上种种问题都无形的提高了企业的生产成本，给备件再生产带来极大困难。在设备机械维修领域中应用快速原型制造技术当非标备件不足或缺失时，不但可以快速自行制造备件缩短制造周期而且不因制造备件数量少而提高加工成本，并且制造品质不受其它外部因素影响。采用快速原型制造方式可以及时、高效、低成本的解决生产制造企业遇到的这些设备维修困境。随着计算机集成制造系统在企业中应用的不断深入，数据信息集成与采用快速原型制造方式自行生产备件相结合就能有效的解决了因非标备件不足或缺失造成的维修困难。
首先，装备制造企业将设备零部件各种参数信息以三维实体模型数据的方式存储在公司的数据库中，需要成为备件的零部件根据设备型号进行分类并发布到公司的网站上方便用户从网上快速下载到关于这个产品的备件数据信息，用户在得到备件数据信息后可以将该信息发送到当地的快速原型制造中心进行快速制造，得到备件后进行快速更换维修。产品生产企业的设备管理人员在保存原有设备备件二维工程图纸的基础上，将该备件的三维实体模型数据保存到自己公司ERP系统中的设备管理数据库中，以便后期使用调取。
其次，针对国外进口设备备件购买价格昂贵、购买周期漫长等特点，在短时间无法得到备件的情况下，自行制造备件更适于进口设备备件的国产化开发。可以采用逆向工程（reverse engineering）对备件进行测绘，然后经过编辑得到最终的备件三维实体模型数据，为后期进行备件快速制造做前期的技术准备。
最后，建立整个生产线设备的虚拟备件库，将大量的备件三维实体模型分类保存在备件数据库中，形成设备维修系统中除专家诊断系统、故障分析系统以外的另一种技术支撑系统。这种设备维修方式的主要思想是将过去传统的保存大量实体备件模式逐步变成在仅保存少量常用易损备件安全库存的基础上建立虚拟的备件三维实体模型数据库，一旦特殊部件损坏在没有实体备件在库和获取备件时间漫长等条件下采用快速原型制造技术在较短的时间内获得实体备件，以提高设备维修的效率减少设备故障停机时间，为企业赢得更多的利润。
3 结语
根据快速原型制造技术适宜单件、小批量、高柔性的零件制造特点，设备备件"真正实现了随时、随地、按需生产"的设想，在设备维修领域中极大的减少了实体备件在库数量，变实体库存为虚拟库存，减少了场地占用和资金占用，降低了企业购买备件的成本。在未来随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，快速原型制造技术的发展将朝着精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势发展，可以说快速原型制造技术正在重塑着整个制造业的明天！
参考文献：
【1】盛晓敏. 先进制造技术〔M〕.北京：机械工业出版社，2009.
【2】李梦群等编. 先进制造技术导论〔M〕.北京： 国防工业出版社，2005.
【3】刘厚才，莫健华，刘海涛.三维打印快速成形技术及其应用[J].机械科学与技术，2008（9）：1184-1186.
作者简介：王光：河北科技大学，硕士研究生；张辉：河北交通职业技术学院，讲师。
关键词：快速原型制造技术、离散-堆积原理、产品三维数据模型、设备维修
引言
对于制造一款很酷的产品或者某种相当精密、复杂的机械零件可能很多人都会想到这只是在加工工厂才能完成的事情。就在制造业如此发达的当今社会一个普通人在没有生产车间和加工设备的情况下就能够很轻松的生产出具有较高精度的机械零件或者极具个性化的产品也是一件很难想象的事情，而这一切已经成为现实。消费者用电脑从网上下载产品，严格地说是下载产品的三维几何数据模型，然后根据自己的喜好进行个性化定制，把最终的数据信息发送到一台机器上，放进原材料后机器就会按照程序一层一层地把产品制造出来，这就是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术--增材制造技术。
1 快速原型制造技术的发展历史和特点
基于离散-堆积原理的快速原型制造技术（Rapid Prototyping Manufacturing）又称为"增材制造技术（Additive Manufacturing，AM）、三维打印（3D Printing ）、实体自由制造（Solid Free-form Fabrication） "是一种由三维几何数据模型直接驱动采用材料逐层累加的方法快速制造出任意复杂形状三维实体的技术，其基本制造原理是将专业设计软件中的产品三维数据模型按照一定的工艺要求对模型进行离散处理，然后将离散分层数据输入成型设备中，在计算机控制下以平面加工方式有序逐层的堆积成形产品模型。相对于传统的材料去除成形加工技术，是一种"自下而上"的全新制造方法，制造业将其称为"具有工业革命意义的制造技术"。
快速原型技术的核心制造思想最早起源于十九世纪末的美国，起初是用于照相雕塑和地貌成形方面的研究，二十世纪八十年代后期逐步发展成熟并被广泛应用于工业产品制造成形领域。近年来，快速原型制造技術并没有仅仅停留在制作原型上，而是向着用于快速制作金属模具乃至实际产品中使用的功能性塑料零件和金属零件的方向发展。快速原型制造已经具有了制造最终产品的功能，它的内涵正从快速原型制造向快速制造（RM，Rapid Manufacturing）的方式转变。与传统去除材料加工方式不同，"增材制造"方式具有许多优点。首先无需原胚、模具和专业的夹具，直接根据产品三维数据模型就能通过增加材料的方法生成任何复杂的三维几何实体，其次在制造过程中几乎不需要人工干预就能够完成整个制造过程，产品制造精度高品质不受人工技术水平高低的限制，再次由于省去了各种传统加工工艺简化了产品制造程序，所以缩短了产品的开发周期，提高了制造效率并且降低了制造成本。
2 快速原型制造技术在设备维修领域中的应用
工业化大生产环境下产品制造企业总是希望组成生产线的每台设备在保持制造精度的前提下高速稳定的持续运转，但设备管理部门总会遇到这样的问题：为提高设备维修效率，不断的对设备维修人员进行培训、购买适合设备维修作业的工具和品种繁多、数量庞大的设备备件，而当真正出现设备故障时，偏偏需要的备件没有购买或者是在库数量不足。由于损坏的部件无法及时更换上新的备件导致停机时间延长，给企业造成了极大的经济损失。而另一方面数量庞大的设备备件的存在又产生了许多附加制造成本占用了场地、消耗了宝贵的流动资金。备件的日常管理工作细碎繁杂，缺乏设备维修经验的管理者有时很难确定全部设备非标备件的安全库存量，而一些进口设备的非标备件购买周期漫长且价格昂贵，有时甚至遇到该型号设备已经停产造成备件无法获得的情况。从设备技术手册中往往找到的是备件的二维工程图纸，要想得到备件只能将备件工程图纸发往特定的加工工厂时间成本巨大。需要进行维修更换的非标备件通常数量极小加之备件本身材质的不同，有时一两个金属材质的备件根本无法使用数控加工，十多个塑料材质的备件受生产成本制约有时根本无法开模具制造，以上种种问题都无形的提高了企业的生产成本，给备件再生产带来极大困难。在设备机械维修领域中应用快速原型制造技术当非标备件不足或缺失时，不但可以快速自行制造备件缩短制造周期而且不因制造备件数量少而提高加工成本，并且制造品质不受其它外部因素影响。采用快速原型制造方式可以及时、高效、低成本的解决生产制造企业遇到的这些设备维修困境。随着计算机集成制造系统在企业中应用的不断深入，数据信息集成与采用快速原型制造方式自行生产备件相结合就能有效的解决了因非标备件不足或缺失造成的维修困难。
首先，装备制造企业将设备零部件各种参数信息以三维实体模型数据的方式存储在公司的数据库中，需要成为备件的零部件根据设备型号进行分类并发布到公司的网站上方便用户从网上快速下载到关于这个产品的备件数据信息，用户在得到备件数据信息后可以将该信息发送到当地的快速原型制造中心进行快速制造，得到备件后进行快速更换维修。产品生产企业的设备管理人员在保存原有设备备件二维工程图纸的基础上，将该备件的三维实体模型数据保存到自己公司ERP系统中的设备管理数据库中，以便后期使用调取。
其次，针对国外进口设备备件购买价格昂贵、购买周期漫长等特点，在短时间无法得到备件的情况下，自行制造备件更适于进口设备备件的国产化开发。可以采用逆向工程（reverse engineering）对备件进行测绘，然后经过编辑得到最终的备件三维实体模型数据，为后期进行备件快速制造做前期的技术准备。
最后，建立整个生产线设备的虚拟备件库，将大量的备件三维实体模型分类保存在备件数据库中，形成设备维修系统中除专家诊断系统、故障分析系统以外的另一种技术支撑系统。这种设备维修方式的主要思想是将过去传统的保存大量实体备件模式逐步变成在仅保存少量常用易损备件安全库存的基础上建立虚拟的备件三维实体模型数据库，一旦特殊部件损坏在没有实体备件在库和获取备件时间漫长等条件下采用快速原型制造技术在较短的时间内获得实体备件，以提高设备维修的效率减少设备故障停机时间，为企业赢得更多的利润。
3 结语
根据快速原型制造技术适宜单件、小批量、高柔性的零件制造特点，设备备件"真正实现了随时、随地、按需生产"的设想，在设备维修领域中极大的减少了实体备件在库数量，变实体库存为虚拟库存，减少了场地占用和资金占用，降低了企业购买备件的成本。在未来随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，快速原型制造技术的发展将朝着精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势发展，可以说快速原型制造技术正在重塑着整个制造业的明天！
参考文献：
【1】盛晓敏. 先进制造技术〔M〕.北京：机械工业出版社，2009.
【2】李梦群等编. 先进制造技术导论〔M〕.北京： 国防工业出版社，2005.
【3】刘厚才，莫健华，刘海涛.三维打印快速成形技术及其应用[J].机械科学与技术，2008（9）：1184-1186.
作者简介：王光：河北科技大学，硕士研究生；张辉：河北交通职业技术学院，讲师。