基于3D 打印技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用研究

黃執(zhí)高，張 勇，郭烈紅，朱海鵬，寧 超，羅永洪

（南昌大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江西 九江332020）

傳統(tǒng)機(jī)械加工方式主要是車、銑、刨、鉆、鏜等，其生產(chǎn)過程中依靠人為操作各類型機(jī)器設(shè)備，通過制定工藝加工工序，完成其產(chǎn)品的生產(chǎn)制造。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)出了越來越多的新興制造技術(shù)，其中有一個(gè)名為“3D 打印”的創(chuàng)新技術(shù)，近幾年被尤為廣泛應(yīng)用。3D 打印技術(shù)通過使用先進(jìn)的CAD/CAE/CAM計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)建模技術(shù)完成其產(chǎn)品模型的設(shè)計(jì)，并通過材料打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)其制造過程，常用于機(jī)械、模具、工業(yè)設(shè)計(jì)等加工制造領(lǐng)域，由于其制造工藝比較簡單，常用于某些產(chǎn)品的研發(fā)與直接制造。很多制造加工科技公司在產(chǎn)品研發(fā)中使用該技術(shù)來打印所需的產(chǎn)品相關(guān)零部件，該項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、模具加工、船舶、美術(shù)、藝術(shù)設(shè)計(jì)等制造領(lǐng)域[1]。和傳統(tǒng)機(jī)械制造技術(shù)不同，它帶來了新型的塑型制造及加工等“新潮”技術(shù)[2]，給傳統(tǒng)制造帶來一場大變革。

1 常用傳統(tǒng)機(jī)械加工方法及特點(diǎn)

在各類科技高速發(fā)展的今天，雖然涌現(xiàn)出很多新興的技術(shù)，但在中國的許多機(jī)械類行業(yè)和企業(yè)中，仍然保留著統(tǒng)的機(jī)械加工方法。機(jī)制加工制造中，常見的加工方法有如下2 種。

1.1 車削加工

車削加工是在車床上利用車刀對旋轉(zhuǎn)的工件進(jìn)行車削加工的方法[3]，主要用于加工各種軸類、盤類、套筒類等具有回轉(zhuǎn)表面的回轉(zhuǎn)體或非回轉(zhuǎn)體工件，是機(jī)械制造和修配工廠中使用最廣的一種加工方式。其加工項(xiàng)目內(nèi)容包括車圓柱面、車圓錐面、車端面、車溝槽、車成型回轉(zhuǎn)面、車螺紋、滾花、鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、攻螺紋等。粗車時(shí)，尺寸精度可以達(dá)到IT8～I(xiàn)T7，表面粗糙度Ra6.3～1.6 μm；精車時(shí)，尺寸精度為IT6～I(xiàn)T5，粗糙度為Ra0.4～0.1 μm。

1.2 銑削加工

銑削加工是將毛坯固定，利用銑刀高速旋轉(zhuǎn)在毛坯上走刀，切出需要的形狀和特征的加工方法[3]。其項(xiàng)目加工內(nèi)容主要有銑平面、銑鍵槽、銑燕尾槽、銑臺階面、銑螺紋、銑齒輪、銑成型面、銑螺旋面等。也可以對各種平面、溝槽等進(jìn)行粗、精加工，其加工尺寸精度可達(dá)IT9～I(xiàn)T7，表面粗糙度可以達(dá)到Ra6.3～1.6 μm。

2 3D 打印技術(shù)的工作過程

3D 打印成型技術(shù)和傳統(tǒng)加工制造技術(shù)不同，是一種增材技術(shù)，其工作原理是將原材料多層疊加，平面工作臺自動(dòng)升降，將零部件從無到有地生產(chǎn)、加工出來。和傳統(tǒng)機(jī)械制造技術(shù)不同，它帶來了產(chǎn)品制造過程中新型的塑型制造及加工等“新潮”技術(shù)，在實(shí)際工作中和數(shù)控技術(shù)結(jié)合可快速完成復(fù)雜機(jī)械零件的加工制造。其在機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用主要在以下2 個(gè)方面。

2.1 增材技術(shù)

增材技術(shù)是運(yùn)用粉末金屬或塑料等可粘合材料，通過一層一層疊加的技術(shù)，基于離散累加原理，由特定的三維坐標(biāo)切片生成真實(shí)物體，體現(xiàn)了直接性。該技術(shù)結(jié)合了數(shù)學(xué)和圖像領(lǐng)域的許多技術(shù)，如數(shù)學(xué)建模方法、數(shù)學(xué)分析方法、圖像處理與仿真技術(shù)、機(jī)電技術(shù)和金屬材料等。

這種技術(shù)的局限性也是比較客觀的。例如，材料組裝控制問題直接體現(xiàn)在金屬成型過程中，因?yàn)槿S打印CT 層是堆疊的，堆疊過程中容易發(fā)生金屬氧化，這將直接影響制造實(shí)體的質(zhì)量和性能；堆積層厚度不易控制，堆積層過厚，制造固體表面不光滑，精度下降，粗糙度增大；一些高精度制造的零件可能需要多波束配合。這些光束的頻率和溫度必須一致并同步制造，才能確保制造零件的穩(wěn)定性和效率。

2.2 3D 打印技術(shù)與數(shù)控技術(shù)的結(jié)合

3D 打印技術(shù)是利用粉末冶金、塑料和陶瓷通過噴嘴形成固體。數(shù)控技術(shù)是一種材料還原技術(shù)，即在最終產(chǎn)品的成形過程中，對加工后的材料不斷進(jìn)行還原，最終形成真正的材料。在實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中，增材技術(shù)與減材技術(shù)結(jié)合使用，可以快速縮短新產(chǎn)品研發(fā)的周期、節(jié)省研發(fā)成本，為后續(xù)產(chǎn)品的批量生成提供原始生產(chǎn)制造的原始數(shù)據(jù)參考，提高了生產(chǎn)的效率，有利于產(chǎn)品工藝制造過程中工藝方案的制定，為大量生產(chǎn)其產(chǎn)品提供依據(jù)。

3 3D 打印技術(shù)的工作原理和加工制造方法

3D 打印技術(shù)是一種“降維制造”思想的制作過程[4]，先將三維實(shí)體轉(zhuǎn)化成三維電子模型，然后把電子模型進(jìn)行二維分層，逐層制作并累積起來的技術(shù)，其形成需要三維實(shí)體模型，具體加工制造過程如下。

3.1 三維模型的構(gòu)建

建模方法主要有3 類：①借助CAD/CAM/CAE 三維建模軟件，將實(shí)體模型轉(zhuǎn)化成軟件中的電子模型；②提供實(shí)體不同角度下的照片，計(jì)算機(jī)通過照片分析而反應(yīng)得出實(shí)體的電子模型，常用軟件是Autodesk 123D Catch；③通過3D 掃描儀掃描物體，分析現(xiàn)實(shí)物體中環(huán)境或物體的形狀、外觀數(shù)據(jù)等一些信息，從而創(chuàng)建相應(yīng)的數(shù)字模型。

3.2 打印模型格式的生成

將模型文件轉(zhuǎn)化為3D 打印機(jī)的文件格式，在保證各軟件之間的語言轉(zhuǎn)化準(zhǔn)確性的條件下，建立起建模軟件和3D 打印機(jī)之間的協(xié)議通道。

3.3 模型的切片處理

CAD/CAE/CAM 專業(yè)軟件導(dǎo)出的格式文為.STL，然后利用專業(yè)的切片軟件進(jìn)行處理后，將圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成3D 打印機(jī)器可以識別的代碼格式。切片是用軟件轉(zhuǎn)換成3D 打印機(jī)動(dòng)作數(shù)據(jù)（gcode）的過程。

3.4 成型加工

在計(jì)算機(jī)的控制下，相應(yīng)的成型頭按特定的有規(guī)律運(yùn)動(dòng)，在工作空間一步一步地堆積材料，最終得到產(chǎn)品原型。

3.5 零件的后處理

通常采取的后處理方法有拆支撐、打磨、粘合、噴涂上色等，通過一系列的后處理措施，得到最終產(chǎn)品。

4 典型機(jī)械零件采用3D 打印技術(shù)制造和傳統(tǒng)加工相比的優(yōu)勢

齒輪、葉輪是典型的機(jī)械零件，屬于復(fù)雜零件，采用傳統(tǒng)工藝加工，具有制造過程周期長、工藝復(fù)雜、工序長，制造成本高、設(shè)備一次性投入大等缺陷，尤其對新產(chǎn)品研發(fā)周期不利。假如采用3D 打印技術(shù)可以快速完成其產(chǎn)品模型的制造，為新產(chǎn)品的研發(fā)縮短周期，節(jié)省成本。具體制造工藝對比如下。

4.1 齒輪傳統(tǒng)加工制造工藝[5]

鑄造制坯：齒輪零件一般采用熱模鍛鑄造方式對毛坯進(jìn)行鍛造。

正火：齒輪正火目的是獲得適合后序齒輪切削加工的硬度，對其熱處理進(jìn)行組織準(zhǔn)備，減少熱處理變形，避免毛坯缺陷。

車削加工：齒坯的加工是提高尺寸外形精度及定位準(zhǔn)確的基本要求，一般采用數(shù)控車床對其進(jìn)行加工，這樣既保證了其內(nèi)孔和端面的垂直度要求，又保證了大批量齒坯生產(chǎn)的尺寸離散小等，提高了齒坯精度，確保了齒輪的加工質(zhì)量。

滾、插齒：其實(shí)就是利用插齒刀或滾齒刀按照展成法或成形法加工內(nèi)、外齒輪或齒條等的齒面。

剃齒：剃齒刀與被切齒輪在輪齒雙面緊密嚙合的自由展成運(yùn)動(dòng)中，實(shí)現(xiàn)微細(xì)切削過程。

齒輪修整：對于一些使用場合要求高（如變速箱）的齒輪進(jìn)行毛刺檢查，以免裝配好后，齒輪運(yùn)行時(shí)發(fā)出異響，同時(shí)也能將降低齒輪的磨損，提高使用壽命。

此外，還有熱處理、磨削加工等制造工藝。

4.2 葉輪傳統(tǒng)加工制造工藝

葉輪傳統(tǒng)加工制造工藝具體有模具處理（需清理模具及周邊和涂脫模劑，然后打蠟）、殼體鋪層、殼體注膠（升溫，鋪脫模布，鋪導(dǎo)流網(wǎng)，最后粘接膠帶）、殼體固化（需要升溫、保溫、自然降溫3 個(gè)小步驟）、客體清理（清理殼上雜物及其輔助材料）、合模、補(bǔ)強(qiáng)、葉片表面處理。

4.3 齒輪和葉輪3D 打印制造方法

設(shè)計(jì)齒輪和葉輪的三維模型，并將其轉(zhuǎn)化為SLT格式；導(dǎo)入Cura 切片軟件，切片處理后，保存為打印機(jī)能夠識別的Gcode 文件；將文件導(dǎo)入3D 打印機(jī)中，進(jìn)行打印，等待打印完成；對齒輪進(jìn)行拆支撐等一些后處理，得到產(chǎn)品原型。

4.4 葉輪產(chǎn)品成型過程

葉輪需要使用三維建模技術(shù)在UG 或者PROE 軟件中進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)建模，其模型最終效果圖1 所示。然后再將文件導(dǎo)出為STL 文件，注意是導(dǎo)出STL 文件而不是另存.prt 格式，然后將保存的STL 文件用相應(yīng)的3D 打印軟件打開，這里選用的是UPstudio 軟件打開。

圖1 模型最終效果圖

進(jìn)入此軟件時(shí)，直接點(diǎn)擊添加，尋找需要打印的文件。然后自主選擇各個(gè)符合情況的參數(shù)，如圖2 所示，包括層厚（每一層的打印厚度）的選擇、填充物（一般來說選擇的填充物越密，產(chǎn)品的硬度越高）的選擇、補(bǔ)償高度（一般不推薦新手自行調(diào)節(jié)）的選擇。最后點(diǎn)打印預(yù)覽（這個(gè)步驟千萬不要省略，它可以直接反映出打印參數(shù)是否設(shè)置合理），最后等待打印產(chǎn)品制造原型，打印完成后需要對其產(chǎn)品進(jìn)行后期工藝處理，比如去除輔料、利用銼刀修磨毛刺等，最終達(dá)到其加工外形制造及加工精度的要求。

圖2 參數(shù)設(shè)置

4.5 加工工藝對比

齒輪和葉輪采用傳統(tǒng)加工工藝加工成本較高；對操作的技術(shù)人員要求嚴(yán)格；工序較多且部分工序要求在真空環(huán)境下進(jìn)行，周期長，生產(chǎn)成本高。采用3D 打印技術(shù)能一次性完成產(chǎn)品加工制造，加工工藝簡單，縮短制造周期，減少產(chǎn)生成本，可以獲得良好的經(jīng)濟(jì)性。具體優(yōu)缺點(diǎn)參考如下。

產(chǎn)品制作簡單，且加工過程中不太需要技術(shù)人員人為干預(yù)；材料成本相對較低；加工齒輪所用時(shí)間短，但精度依然較高。

較于傳統(tǒng)加工，打印的齒輪各項(xiàng)物理性能及強(qiáng)度較差，主要體現(xiàn)在材料上，一個(gè)是鑄鐵，一個(gè)是粘合材料；打印的質(zhì)量、耐磨性、堅(jiān)固性、強(qiáng)度、傳遞效率等會(huì)受到打印時(shí)所使用的材料、打印機(jī)的種類及打印機(jī)的工作環(huán)境的影響。

5 總結(jié)

至今，中國對3D 打印技術(shù)的探索已有20 多年的歷史，雖然小有成就，但至今國內(nèi)還未形成相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈，沒有商用化和產(chǎn)業(yè)化。

3D 打印技術(shù)改變了傳統(tǒng)機(jī)械制造的模式，在機(jī)械的不同領(lǐng)域都有不同程度的發(fā)展，節(jié)約了成本，提高了生產(chǎn)效率等，一定程度上推進(jìn)了機(jī)械制造行業(yè)的進(jìn)步，它在機(jī)械制造應(yīng)用方面仍有很多的發(fā)展空間。猜想只要未來能夠突破使用更硬的材料進(jìn)行粘合，3D 打印技術(shù)必定會(huì)有更大的飛躍。在當(dāng)前大數(shù)字化時(shí)代，相信3D 打印技術(shù)有更好的發(fā)展前景。