3D打印輔助制造技術在農機設計中的應用

張一峰

3D打印輔助制造技術在農機設計中的應用

張一峰

（山西省農業機械化科學研究院，山西太原030031）

通過介紹3D打印輔助制造技術在農機設計中的必要性及其作用，以及《山西省3D打印輔助制造技術實驗室》項目研究開發的主要內容和主要功能等，闡述了3D打印輔助制造技術在農機設計中的影響，證實了3D打印輔助制造技術能有效地縮短農機設計的試驗次數和試驗周期，增加其市場競爭能力，克服了我國農機工業設計能力的薄弱環節。

3D打印；制造技術；設計；應用

0 引言

3D打印，也叫增材制造技術，是一種三維實體快速成型制造新技術，它綜合了計算機的圖形處理、數字化信息和控制、激光技術、機電技術和材料技術等多項高技術的優勢。它的定義好理解，但其實3D打印技術一直在變革，其應用也越來越廣泛[1-3]。

一直以來，農機科研開發受季節、時間、環境影響極大，研發一代新產品，通過研制、試驗、改進，需要近3年的時間才能完成。由于缺乏樣機模具加工生產的試驗和受力、性能等方面的測試環節，導致設計周期過長，產品品質、技術性能難以保證，造成人、財、物的極大浪費。

3D打印成型技術，目前成型方式主要包括SLA光固化、SLS選擇性激光燒結、SLM選擇性激光熔化、DMLS直接金屬激光燒結、FDM熔融沉積成型、聚合物噴墨技術、DLP數字光處理等。實驗室項目采用的是FDM熔融沉積成型技術。

《山西省3D打印輔助制造技術實驗室》是山西省省屬科研院所技術開發實驗室項目，由山西省農業機械化科學研究院承擔完成，3D打印快速成型系統是實驗室項目的重要組成部分。

1 3D打印成型技術的必要性及其作用

長期以來，由于農業機械工作對象的復雜性，在科研、開發過程中，有些工裝模具形狀復雜，如水泵葉輪的模具制造、播種機的排種器和排種箱、開溝器、復雜曲面零部件模具加工等。這種原型的制作非常麻煩，往往需要先開模具，然后再做出樣品。而運用3D打印輔助制造技術，無需開模，就可以制造出來，而且也降低了制造成本。比如一些好的設計理念，無論其結構和工藝多么復雜，均可利用3D打印技術，在短時間內制造出來，從而極大地提高了新產品的設計，有效地克服了我國農機工業設計能力薄弱的問題[4-5]。

利用一臺3D打印機，可以在數小時內制成產品的實體模型。通過制作產品實體模型已經節省了大量的時間和資金，提高了經濟效益。產品實體模型能夠在投入生產之前看到，并且在設計過程的早期階段，可以找出整個設計過程中的設計缺陷，從而進行適當的調整。

針對農機行業新的發展需求，農機制造需要重點推動數字化和信息化技術來提升農機工業的技術水平，提升產品的檔次和穩定性，從而推進行業的結構調整和轉型升級，促進產、學、研、用結合，提升生產效率，推廣各種新型的工藝、材料、設備和技術，促進人才培養和業內交流，解決業內共性問題。

綜上所述，項目從市場需求、技術保證、國家政策支持以及環保節能等方面來進行綜合評價，完全具備建設的可行性。

2 3D打印輔助制造技術研究開發的主要內容

2.1 主要內容

山西省3D打印輔助制造技術實驗室主要是采用FDM熔積成型三維打印技術來完成作業，其基本原理是疊層制造。FDM熔融層積成型技術是目前常用的3D打印技術之一。FDM技術成型工藝干凈、易于操作、不產生垃圾，適用于農機行業的單件試制以及模具新產品開發等基于數字成像技術的三維實體模型制造，從而降低了制造成本。

FDM技術是由Stratasys公司所設計與制造，FDM技術利用ABS，Polycarbonate（PC），Polyphenylsulfone（PPSF）以及其他材料。這些熱塑性材料受到擠壓成為半熔融狀態的細絲，由沉積在層層堆?；A上的方式，從3D CAD資料直接建構原型。該技術通常應用于塑型、裝配、功能性測試和概念設計。此外，FDM技術可以應用于打樣與快速制造。

該成型設備HTS-400高精度快速成型制作系統（3D打印系統）材料為ABS塑料絲，其強度可以達到注塑ABS成型強度的80%左右。而其他耐熱性與抗化學性，也是接近于注塑成型的工件，ABS既具有PC樹脂的優良耐熱耐候性和耐沖擊性能，又具有ABS樹脂優良的加工流動性。所以，應用在薄壁及復雜形狀制品，能保持其優異的性能。因此，在FDM熔積成型技術制造中得到了廣泛的應用。

然而，在基于FDM原理的打印情況中打印一些較大模型時，可能會有即使在打印一開始打印的第1層是可以成功黏在打印平臺上的，但是過了一段時間底層就會開始翹邊或變形。這種情況是很常見的，也是ABS材料使用的一種弊病。

2.2 系統組成及主要功能

在實驗室條件下快速完成以下流程：樣機零部件實體設計→輸入計算機→3D打印實體成型，取代了原來制作模具中鑄塑、鑄造、沖壓等復雜過程，縮短產品研制周期，極大地促進了新產品的創新設計。

實驗室建筑面積需60 m2，實驗室由三維實體設計電腦自動控制試驗臺和3D打印輔助設計技術實驗臺架2大部分組成，其主要功能如下：

（1）建模。首先通過電腦創建一個三維設計圖（通常是SLT或CAD文件），由科研人員通過三維實體設計軟件繪制而成，然后再通過軟件對該圖像進行識別處理而形成三維圖。

（2）導出代碼文件。把繪制成三維圖的模型數據導出STL文件，然后使用專業切片軟件把數據模型轉換成3D打印機能讀取的G代碼文件。

將所設計的CAD立體模型數據進行“切片”處理，該成型設備HTS-400高精度快速成型制作系統（3D打印系統）采用成卷的ABS塑料絲作為材料，工作時將ABS塑料絲提供給擠壓噴嘴，噴嘴加熱融化材料，并在計算機輔助制造軟件的控制以及步進電機或伺服電機的驅動下，沿水平方向和垂直方向移動逐層堆積，并迅速硬化。打印完成后，去掉固定在零件或模型外部的支撐材料即可。

傳統的制造設備功能較少，制作出的形狀種類有限。而3D打印機可以打印許多形狀，它可以每次都做出不同形狀的物品。省去了制作模具這一步驟，既節約時間又節約成本，所制作出來的實物更加精確。

機器生產出相同的零部件，需要人工來組裝完成。產品組成部件越多，組裝耗費的時間和成本就越多。而通過3D打印輔助制造技術無需組裝，既節省勞動力又節省其他費用。由于3D打印是逐層打印的技術，所以可以完成多軸數控機床都完成不了的復雜成型。在農機工業制造領域，3D打印輔助制造技術一定會有廣闊的應用前景。

2.3 主要生產（作業）工藝流程

3D打印生產過程見圖1。

圖1 3D打印生產過程

2.4 主要參數

成型件尺寸：360 mm×320 mm×400 mm；

成型件精度：±0.2/100 mm；

加工速度：20~65 cm3/h；

文件輸入格式：STL格式；

電源：220 V，50 Hz，最大電流6 A；

成型材料：ABS塑料絲。

《山西省3D打印輔助制造技術實驗室》項目的建成，實現了由主要在田間試驗完成改為田間與室內相結合完成的農機設計思路，必將縮短試驗周期，從而提高科技成果的理論水平。同時，促進農機行業與其他實驗室開展廣泛的交流，使山西省農機制造研究水平整體邁向一個新臺階。

3 結語

針對形狀復雜不同的零部件進行三維實體設計并進行打印，從試驗的結果分析情況來看，3D打印輔助制造技術性能穩定、效果良好，達到了設計任務書全部要求。

如果說前2年是傳統制造業的寒冬，那么現在就是制造業逐漸明媚的春天，唯有最高效的把握時代發展機遇，從制造走向“智”造，傳統制造業方能真正走出寒冬的思維禁錮，如今3D打印技術日趨成熟，希望制造業能借“東風”，開創全新的制造時代。

山西省3D打印輔助制造技術實驗室的建成，大大加強了山西省農機科研的基礎設施，進一步完善了設計和研究手段，有效穩定了科研技術隊伍，提高了研究水平、學術水平和成果品質。實驗室從單純為科研服務逐步向科研、開發和技術服務協調發展方向轉變，該實驗室的建成必將成為山西省農機科研生產企業、農機專家學者開展研究工作的重要場所。

[1]劉海濤.光固化三維打印成型材料的研究與應用[D].武漢：華中科技大學，2009.

[2]張宇，汪禮俊.3D打印引爆智能制造升級[J].上海信息化，2014（6）：20-24.

[3]梁霄.結合數字技術的雕塑藝術創作方法研究[D].西安：西安建筑科技大學，2014.

[4]張一峰.國內外播種機的發展現狀與發展趨勢分析[J].當代農機，2015（5）：79-80.

[5]張金鳳.帶分流葉片離心泵全流場數值預報和設計方法研究[D].鎮江：江蘇大學，2007.◇

Application of 3D Printing Aided Manufacturing Technology in Agricultural Machinery Design

ZHANG Yifeng
（Shanxi Academy of AgriculturalMechanization，Taiyuan，Shanxi030031，China）

The necessity of thismanufacturing technology 3D printing auxiliary in agriculturalmachinery design，and themain contentof research and development laboratory and itsmain function，elaborated themanufacturing technology of 3D printing auxiliary in the role of agriculturalmachinery design.The results show that the 3D printing aided manufacturing technology can effectively reduce the number of test and test cycle，increase its market competitiveness，and overcome the weakness of China's agriculturalmachinery industry design capacity.

3D printing；manufacturing technology；design；application

TP334

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.04.022

1671-9646（2017）04a-0069-02

2017-02-15

山西省3D打印輔助制造技術實驗室項目（晉財教[2013]72號）。

張一峰（1963—），男，本科，高級工程師，研究方向為農業機械、畜牧機械。