3D打印技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用*

邢恒遠(yuǎn)，孟憲莊，陳 娜

（1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐州技師分院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇徐州 221000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221116）

0 引言

近幾年，在“中國(guó)制造2025”的大環(huán)境下[1]，中國(guó)機(jī)械制造領(lǐng)域的實(shí)體企業(yè)逐年增加，競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，如何提高機(jī)械制造企業(yè)的生產(chǎn)效率、降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，以及如何生產(chǎn)更有利于環(huán)保等實(shí)際問題亟待解決。在這樣的背景下，3D打印技術(shù)給機(jī)械制造生產(chǎn)方式帶來新的參考[2]。

3D打印技術(shù)是一種新興的鑄造技術(shù)，發(fā)展勢(shì)頭迅猛。其以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將材料逐層疊加制造成物體[3－4]。因其具有效率快、精度高、成本低、環(huán)保強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)醫(yī)療、航空航天、建筑裝飾、等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[5]，且發(fā)展十分迅速，并日趨成熟。但是在機(jī)械制造和實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中，該技術(shù)的研究成果還不夠豐富。在汽車、航空宇航方面，3D打印技術(shù)可以使得零件加工輕量化，部分功能件免裝配，并且能保持良好的力學(xué)性能和強(qiáng)度要求，如圖1所示。針對(duì)上述幾點(diǎn)問題，本文旨在通過系統(tǒng)性地梳理3D打印技術(shù)的基本概念和原理，來獲取3D打印快速成型的基本過程和技術(shù)路線。以3D打印技術(shù)在實(shí)際過程中的應(yīng)用為例，最終分析并揭示出3D打印技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用優(yōu)越性。同時(shí)，提出一種設(shè)計(jì)理念，為3D打印技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中拓展新局面，打下良好的基礎(chǔ)并形成理論體系。

圖1 機(jī)械零部件的3D打印產(chǎn)品

1 3D打印技術(shù)基本概念和原理

3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，是一種不需要使用模具的加工方式，這種方式也可以稱之為增材制造[6]。和傳統(tǒng)制造加工方式相比，3D打印技術(shù)有諸多優(yōu)勢(shì)，其最為顯著的優(yōu)點(diǎn)就是更加節(jié)約原材料，降低生產(chǎn)加工的成本[7]。以數(shù)字模型作為基礎(chǔ)，運(yùn)用金屬或者非金屬材料，通過特定的設(shè)備逐層打印的方式來構(gòu)造物體。3D打印技術(shù)采用分層加工、疊加成型，將數(shù)字模型轉(zhuǎn)換成3D打印設(shè)備能夠識(shí)別的文件格式，分層切片，得到每片的數(shù)字模型，按小片模型一層層加工，逐層增加材料來生成3D實(shí)物。除此之外，其能夠以零件的功能為主要目的進(jìn)行設(shè)計(jì)，不需要考慮刀具及工藝，做到自由設(shè)計(jì)與制造。由于3D打印技術(shù)是一次性成型，所以零件加工周期大大減少[8－9]。

3D打印技術(shù)原本應(yīng)用于模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，不同的3D打印機(jī)的工作原理不完全一樣，研發(fā)設(shè)備和使用過程也不盡相同。世界上第一臺(tái)3D打印機(jī)采用的是光固化立體成型原理，打印的產(chǎn)品尺寸精度可以細(xì)密到0.025 mm。特殊樹脂在紫外線照射下，可以快速固化，通過逐層照射固化，便可以得到表面細(xì)膩精度較高的打印產(chǎn)品。該打印方式適合制作中小型塑料產(chǎn)品，或者金屬噴涂等工況。

3D打印的實(shí)現(xiàn)要從建立數(shù)字模型開始，建立數(shù)字模型除了運(yùn)用軟件設(shè)計(jì)以外，還可以掃描成型，也就是逆求工程。3D打印技術(shù)使用了離散和堆積的思路，其過程如圖2所示，首先用CAD（Computer Aided Design）軟件進(jìn)行數(shù)字模型的建模，常見的CAD設(shè)計(jì)軟件主要有Au?toCAD、Catia、UG、Solidworks、Pro/E等；接著對(duì)所建立的數(shù)字模型進(jìn)行切片，也就是把數(shù)字模型微分得到每個(gè)輪廓面的形狀；然后將數(shù)字模型導(dǎo)出3D打印機(jī)可以識(shí)別的電子文件格式，并導(dǎo)入3D打印機(jī)；最后，使用3D打印技術(shù)對(duì)零部件逐層打印，也就是完成積分的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)從虛擬到現(xiàn)實(shí)的過程[10]。在整個(gè)虛擬到現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)過程中，成型技術(shù)方法較多，針對(duì)不同材料和不同生產(chǎn)要求可以選擇不同成型原理，這就是在汽車生產(chǎn)和維修領(lǐng)域使用3D打印技術(shù)要研究的內(nèi)容。

圖2 3D打印機(jī)快速成型的基本過程

2 3D打印技術(shù)在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用

以汽車生產(chǎn)為例，通常來說，3D打印技術(shù)較適合運(yùn)用于生產(chǎn)批量產(chǎn)品。一般零件的設(shè)計(jì)不僅僅需要考慮設(shè)計(jì)參數(shù)本身，還需要考慮其加工工藝或者實(shí)際裝配過程中的問題，這樣就會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)過程中含有與制造有關(guān)但與零件功能實(shí)現(xiàn)無關(guān)的剩余物，這會(huì)使得整體產(chǎn)品的質(zhì)量相對(duì)笨重，很難進(jìn)一步降低汽車重量。而如果使用3D打印技術(shù)，原材料只需要實(shí)現(xiàn)零件功能即可，打印出來的零件自然可以精簡(jiǎn)，且制造精度也非常細(xì)密，基本可以滿足一般生產(chǎn)加工的實(shí)際需求。隨著3D打印設(shè)備的改進(jìn)和完善，精密度還可以進(jìn)一步提高。在汽車制造加工領(lǐng)域中，一旦3D打印技術(shù)大量使用，將會(huì)大大縮短從概念汽車到實(shí)際量產(chǎn)的時(shí)間周期。

以某品牌模型號(hào)的汽車輪轂3D成型為例，具體步驟如下。

（1）數(shù)字化建模。一般工業(yè)設(shè)計(jì)和制造方法主要有實(shí)體建模和曲面建模兩種。實(shí)體建模適用于規(guī)則形狀的零部件，曲面建模適合復(fù)雜、精細(xì)的不規(guī)則形狀。該案例采用的是Pro/E繪圖軟件，對(duì)某品牌某型號(hào)汽車輪轂進(jìn)行3D造型繪制，其三維設(shè)計(jì)渲染圖如圖3所示。

圖3 汽車輪轂的三維設(shè)計(jì)渲染圖

（2）切片處理。所謂切片就是數(shù)字模型沿著某一個(gè)軸方向離散為一系列的二維層面，從而得到每個(gè)二維平面的信息，使得3D打印機(jī)能夠打印出每個(gè)薄層。數(shù)據(jù)處理切片是快速成型技術(shù)最重要的過程，數(shù)據(jù)分層的質(zhì)量將直接影響產(chǎn)品打印的質(zhì)量。將繪制好的模型轉(zhuǎn)換成Stl文件格式，如圖4所示，然后使用計(jì)算機(jī)控制軟件對(duì)模型進(jìn)行切片。切片軟件主要有Cura、Rapid Tool等，可對(duì)3D模型文件進(jìn)行切片處理，CAD圖形文件經(jīng)過切片處理就能得到可以被3D打印設(shè)備識(shí)別的控制文件。主要使用的算法是基于集合拓?fù)湫畔⑻崛〉姆謱铀惴?，因?yàn)檫@種算法效率最高。切片完成后，即可導(dǎo)出3D打印機(jī)能夠識(shí)別的文件，將該文件導(dǎo)入3D打印機(jī)中，即可讀取文件，并進(jìn)行逐層打印。

圖4 轉(zhuǎn)換成Stl格式文件

（3）產(chǎn)品打印。在3D打印技術(shù)環(huán)節(jié)中，打印成型環(huán)節(jié)是最重要的。成型技術(shù)的優(yōu)劣直接決定打印的產(chǎn)品質(zhì)量。目前，常用的成型技術(shù)主要有熔融沉積成型、三維打印黏結(jié)成型、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、直接金屬粉末激光燒結(jié)技術(shù)等。這里選用的打印設(shè)備是采用的直接金屬粉末激光燒結(jié)技術(shù)，設(shè)備型號(hào)的選擇是國(guó)內(nèi)某主流品牌BLT系列3D打印機(jī)。其中，要對(duì)激光器進(jìn)行選擇、對(duì)打印工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，如光斑直徑、激光功率、掃描速度、掃描間距、分層致密度、預(yù)熱溫度等參數(shù)，實(shí)驗(yàn)材料就是鋁合金。設(shè)備主要相關(guān)參數(shù)參考值如表1所示。

表1 3D打印機(jī)BLT系列主要相關(guān)參數(shù)

通過案例的應(yīng)用，可以歸納出一種機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)理念——自由設(shè)計(jì)理念，即零件設(shè)計(jì)過程中，不需要考慮零部件裝配、加工、工藝等過程，而是直接在3D打印機(jī)中一次成型。主要設(shè)計(jì)方法的流程：首先進(jìn)行功能分析，即分析產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的全部功能和子功能以及其結(jié)構(gòu)特征；其次約束分析，即設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)要考慮設(shè)計(jì)收到哪些約束，包括加工設(shè)備的約束條件；最后是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即力求結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)、功能最佳、成本最低、外觀最美，并且性能優(yōu)良，性價(jià)比高，同時(shí)滿足機(jī)械零部件的力學(xué)性能和強(qiáng)度要求。

3 結(jié)束語

本文通過對(duì)3D打印技術(shù)系統(tǒng)的理論梳理，得出3D打印機(jī)快速成型的基本過程和技術(shù)路線，并得出結(jié)論：3D打印技術(shù)是根據(jù)離散－堆積－微分－積分來實(shí)現(xiàn)成型的，更需要經(jīng)過數(shù)字化建模－切片處理－打?。筇幚淼冗^程，將虛擬變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

對(duì)3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)，通過介紹3D打印技術(shù)的基本概念和原理，得出結(jié)論：該技術(shù)易于參數(shù)修改、工藝簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)和加工周期短，適合產(chǎn)品的樣品制作、個(gè)性化定制、規(guī)模量化生產(chǎn)。

通過3D打印技術(shù)在汽車領(lǐng)域中的實(shí)例應(yīng)用得出：自由設(shè)計(jì)機(jī)械零部件具有非常大的加工優(yōu)越性，3D打印機(jī)的參數(shù)也易于調(diào)整，這說明3D打印技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中可以拓展新的局面，并打下良好基礎(chǔ)，為后續(xù)形成理論體系提供理論支撐。