基于3D打印技術(shù)的機(jī)械零件創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)

陳博文

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高新技術(shù)的進(jìn)步，3D技術(shù)得以快速發(fā)展。尤其是近幾年來(lái)，3D技術(shù)因?yàn)樽陨淼奶厥庑?，?yīng)用在航空航天、工業(yè)、醫(yī)療、服裝等領(lǐng)域。在國(guó)家提出相應(yīng)的政策之后，更加彰顯了智能化3D技術(shù)的重要性。本文探索了基于3D技術(shù)的機(jī)械零件創(chuàng)新設(shè)計(jì)，分析了機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，希望能夠幫助到相關(guān)技術(shù)人員。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；機(jī)械零件；創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)

當(dāng)前，3D打印技術(shù)已經(jīng)融入到各個(gè)行業(yè)，對(duì)于傳統(tǒng)的制造業(yè)有著巨大的影響。在傳統(tǒng)工業(yè)當(dāng)中，有著多種加工制造很麻煩，需要耗費(fèi)的時(shí)間比較長(zhǎng)，如空間曲面、復(fù)雜內(nèi)腔等。傳統(tǒng)加工制造所需要的步驟較多，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)也是不適合現(xiàn)在時(shí)代發(fā)展的一個(gè)重要原因。對(duì)于3D打印技術(shù)來(lái)說(shuō)，區(qū)別于傳統(tǒng)技術(shù)，在制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件上有著很大的優(yōu)勢(shì)。除了這些之外，3D打印技術(shù)對(duì)于免裝配制造也發(fā)揮著重要的作用。當(dāng)前3D打印在汽車、軍工、航天等領(lǐng)域受到了關(guān)注。同樣的，在機(jī)械制造業(yè)也逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的技術(shù)。

一、3D打印技術(shù)的概念

3D打印是增材制造概念的一種延伸，一般來(lái)說(shuō)，增材制造是區(qū)別于傳統(tǒng)技術(shù)當(dāng)中的減材手段，在進(jìn)過(guò)鍛造之后使用材料形成最終產(chǎn)品的類工藝技術(shù)。3D打印是通過(guò)將三維建模并且切片之后，使用3D打印機(jī)逐層制造出來(lái)產(chǎn)品。其主要的原理是在于，開始是設(shè)計(jì)師在計(jì)算機(jī)上使用專業(yè)軟件進(jìn)行繪圖制作，然后將零件進(jìn)行模型化，對(duì)于每一個(gè)切點(diǎn)都有著顯著規(guī)定，得到了切面的具體數(shù)據(jù)之后，根據(jù)這些數(shù)據(jù)通過(guò)掃描噴涂熱熔材料，形成截面輪廓，最終得到產(chǎn)品。同時(shí)，我們可以將材料之間的材質(zhì)進(jìn)行劃分，最終形成為金屬3D打印和非金屬3D打印，目前發(fā)展較為穩(wěn)定，使用范圍最廣的幾種技術(shù)是：光固化成型工藝、激光選區(qū)燒結(jié)工藝等。

只是，作為一種借助高新技術(shù)發(fā)展的新興技術(shù)，3D打印技術(shù)有著很多作用，在不少行業(yè)當(dāng)中發(fā)揮著重要的作用，但是當(dāng)前的3D打印機(jī)造價(jià)比較高，打印的材料很貴，小型的企業(yè)根本就無(wú)法承受，而且，受到技術(shù)的影響，可以打印的種類比較少，在尺寸和規(guī)格上也受到了限制。

二、面向3D打印技術(shù)的創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)方法

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，加上市場(chǎng)需求，當(dāng)前出現(xiàn)了一種理念豐富新穎的設(shè)計(jì)方法，我們可以稱之為自由設(shè)計(jì)。主要是以功能性作為首要目的，設(shè)計(jì)過(guò)程主要是為了功能服務(wù)，我們也可以稱這種技術(shù)為面向增材制造的設(shè)計(jì)方法。

相較于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，自由設(shè)計(jì)有著不少特點(diǎn)。首先，可以進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，不受加工工序的影響，對(duì)于一些曲面結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)、中空結(jié)構(gòu)都能輕松的完成。設(shè)計(jì)唯一需要考慮的是所有的材料問(wèn)題。其次，可以進(jìn)行精簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。不用使用刀具、夾具，節(jié)省了時(shí)間，而且對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中為了后期加工需要預(yù)留的結(jié)構(gòu)都可以省略。最后，可以進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，降低了成本。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，因?yàn)椴簧倭慵慕Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在設(shè)計(jì)的時(shí)候無(wú)法做到輕量化?，F(xiàn)在基于3D打印技術(shù)，可以使用較少的材料完成質(zhì)量合格的產(chǎn)品，也符合當(dāng)前時(shí)代發(fā)展的需求。此外，還可以進(jìn)行免組裝設(shè)計(jì)，包括運(yùn)動(dòng)副和功能結(jié)構(gòu)的免組裝，將多個(gè)結(jié)構(gòu)集成到一個(gè)零件上，省去不必要的步驟，提高了整體的效率。

三、基于3D打印技術(shù)機(jī)械零件的創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)方法

（一）軸套類零件

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于軸套類的零件，其主要結(jié)構(gòu)是同軸旋轉(zhuǎn)體，軸向尺寸與徑向尺寸相比，是要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于的。不過(guò)，這種零件還是起著傳遞扭矩的作用。而且此類零件目前加工方法是切削加工，對(duì)于形狀和尺寸都有著嚴(yán)格規(guī)定，加上需求增多，通常都是采用大批量生產(chǎn)。但是當(dāng)前的3D打印技術(shù)不適合這種批量作業(yè)，反倒是對(duì)于生產(chǎn)要求較高的單個(gè)零件有著便利性。我們?cè)谶M(jìn)行軸套類零件的設(shè)計(jì)時(shí)候，需要優(yōu)先考慮它是準(zhǔn)備做什么，等到明確之后在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。改變內(nèi)部實(shí)心結(jié)構(gòu)為夾層結(jié)構(gòu)，在滿足質(zhì)量的同時(shí)減少重量。

（二）箱體類零件

第一，箱體類零件包括閥體、泵體、減速器箱體等，不管是內(nèi)在結(jié)構(gòu)還是外在心態(tài)都很復(fù)雜，一般來(lái)說(shuō)普通人很少見(jiàn)到這種零件，其主要適用于容納、密封。

第二，在傳統(tǒng)加工過(guò)程中，箱體類零件的制造對(duì)于鑄造模式有著要求，在進(jìn)行大批量生產(chǎn)的時(shí)候會(huì)選擇金屬模機(jī)器，但是因?yàn)樾枨缶鹊母哔|(zhì)量影響，在進(jìn)行制造的時(shí)候若是出現(xiàn)誤差，很容易影響到一批零件。而通過(guò)3D打印技術(shù)形成的箱體類零件，不但準(zhǔn)確度滿足要求，而且并不會(huì)有復(fù)雜的其他加工，避免了裝夾問(wèn)題，減少了生產(chǎn)所需要的時(shí)間，能夠有效控制失敗率，減少材料、人力、設(shè)備的消耗。

（三）盤蓋類零件

第一，盤蓋類零件通常是用作箱體零件的銜接，一般來(lái)說(shuō)都是呈現(xiàn)圓形和方形的扁平狀結(jié)構(gòu)，軸向尺寸較之徑向尺寸小很多。

第二，盤蓋類零件功能一般來(lái)講主要有軸向定位、堅(jiān)固等作用，我們?cè)谶M(jìn)行自由設(shè)計(jì)的時(shí)候，可以使用3D打印技術(shù)對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高實(shí)用性和美觀性，減少冗余的功能。比如，在軸承端蓋去除拔模斜度的不必要特征。

（四）叉架類零件

第一，在平常生活中，我們經(jīng)常見(jiàn)到的叉架類零件都是呈現(xiàn)不對(duì)稱的樣式，除了同一種零件之外，其他的形狀相比較有著很大的不同，比如，撥叉、連桿、搖臂等。在使用中主要是為了更好的連接和轉(zhuǎn)動(dòng)零件。

第二，因?yàn)椴婕茴惲慵?duì)于孔的精確度要求較高，而且受到加工零件材料的影響，在加工時(shí)很容易出現(xiàn)變形的狀況，所以在加工的時(shí)候需要用到不同的夾具，浪費(fèi)了大量的時(shí)間。而借助3D打印技術(shù)能夠快速的生產(chǎn)出來(lái)，不用擔(dān)心裝夾時(shí)產(chǎn)生的誤差影響了整個(gè)零件的作用。

四、結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合3D打印技術(shù)的概念和效果，研究了在機(jī)械零件制造的作用。3D打印企業(yè)應(yīng)用中，不但可以更好、更快的制造出復(fù)雜的零件，同時(shí)對(duì)于零件的精確度有著嚴(yán)格把控。相對(duì)于傳統(tǒng)加工工藝，3D打印無(wú)論是在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、功能優(yōu)化還是在時(shí)間成本上都有著卓越的成果。只是當(dāng)前3D打印機(jī)所需要的成本昂貴，還無(wú)法完全性的普及，不過(guò)隨著技術(shù)的發(fā)展，肯定能夠研究出日常使用的3D打印機(jī)。

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