3D打印技術優化發動機設計

秦波

摘 要：3D打印技術指的是利用物理層的持續疊加，通過逐步有序地進行材料增加以實現生成三維實體目的的技術，因為不同于固有的去除材料的加工技術，故3D打印技術又被稱為增材制造或添加制造。增材制造指的是按照三維CAD數據將現有材料組合并完成制作物體的過程，與建材制造相比，它是一種將材料不斷累積疊加的過程。它的基礎原理是通過對產品CAD數模，通過快速成型機工作在X-Y平面上以掃描的形式產生工件截面的形狀，繼而通過在Z坐標間歇地做層面厚度的位移變化，最終形成三維制件。可以按照工藝和成型原理將3D打印技術劃分為多個種類，已形成了4重比較主流的方法，即：SLS選區激光燒結、SLA激光立體固話、LOM疊層實體制造法以及FDM熔融層次成型技術。

關鍵詞：3D打印技術;積累疊加;三維制件

0 引言

3D打印技術又叫添加制造，是增材制造技術的通俗說法，與傳統的去除材料加工技術不同的是，它的文件基礎以數字模型來充當的，通過粘合性較強的材料例如粉末狀金屬物等，采取堆疊的方式對已設計好的模型進行三維實體的生成。1979年，3D打印的最初概念雛形被提出，在當時這種技術被稱之為“快速原型。”1986年美國的查爾斯·赫爾為“立體光刻”技術申請了專利并申請成功，這種技術主要是采用紫外線照射的方式來使樹脂材料凝固，以達到制作物體的目的，此技術概念于1984年被提出。而3D打印技術是于1993年被提出，當時是由麻省理工學院的數名技術專家共同發明并向專利局申請專利。從該技術雛形成型并成功申請專利后，項目專家們對項目進行不斷地開發研究，3D打印技術成長迅速，能夠使用的材料和制作的產品范圍不斷擴大，3D打印技術已經不僅限于塑料金屬等產品，也可以對零部件、有機材料等進行生產。經過一段時間的發展，3D打印技術已經步入快速發展狀態，其市場發展空間仍舊廣闊。

1 當前主要問題

1.1 當前3D打印技術發展尚不成熟

我們不得不承認，盡管經歷了一段時間的發展，3D打印技術有所進步，但在市場以及技術方面該技術仍然并不成熟。在新工業革命與增材制造國際研討會上，楊拴昌曾明確指出了3D打印技術現今仍存在并且至關重要的待解決問題，其中之一便是需要對生產過程中使用的設計工具進行優化升級。該項技術需要大范圍使用計算機輔助設計工具。在進行部件的制作時，也需要更好的使用工具來使材料性能和其形狀得到進一步優化，以達到控制材料使用量以及降低產品重量的目的。在產品設計的過程中，研發出操作更簡便的使用工具對該技術的非專業性人員也十分有必要。

1.2 可用材料需要持續拓寬

3D打印技術目前最常見的使用材料就是樹脂，這也間接的表現出該技術現在的可用材料稀少，但經研究人員的努力，正在逐步向陶瓷、金屬、金銀等原材料的使用進步。并且在將來還需要將更多的材料投入使用，并且更深入地進行使用材料的研究，進一步分析加工-結構-屬性之間的關系，熟知每一種材料的特性，便于更好地利用材料，為材料的使用提供標準和范圍。

1.3 生產過程需要加強工藝控制

在該技術的發展和使用過程中，需要給裝備樹立明確的認證標準，這能夠有效地提高該技術生產過程中的連貫性、統一性和重復性。除此之外，還需要在進行打印生產的過程中對內部進行不間斷的監控并進行反饋，例如可通過傳感器來評估并檢測存在的漏洞或缺陷，只有進行良好的監控，才能使設備工作過程中出現故障的可能性降到最低。為達到更好地監測并了解材料的性能和零部件功能特點，需要形成預測模型，令設計師和用戶都能對零件的基礎功能性能有一定的了解，并且通過調整設計的方式來實現預計成果。

2 制造過程中3D打印技術的應用

2.1 三維的印刷技術

3D打印機于90年代中期被成功研發，3D打印機遵從的工作原理是傳統打印機的原理，主要被應用于將打印機和計算機后對原料進行層層疊加，這項技術使用的是激光注射器等，后來，3D打印技術也被稱之為無模控制技術，在工作生產時需要使用粘合劑，使用噴嘴工具將需要進行粘合的區域進行粘合工作，用來粘合材料的是材料粉末，通過層層的粘合、鋪粉等工作完成一項任務的3D打印。

2.2 粉末材料在選擇性的激光燒結技術

選擇粉末材料來進行激光燒結步驟最主要的就是在已籌備好的粉末上面進行刮平工作，將已經初步完成的零部件的表層進行此項工作，在此基礎上還需要對零件的截面進行掃描工作，此項工作使用的是二氧化碳激光器作為工具，在激光高強度的照射下，很容便可以將材料燒結在一起，也因著這樣的原理，二氧化碳激光器才能夠將零部件的截面完整地掃描，金屬等材料是進行燒結的主要材料。此外，一些燒結材料產生的燒結薄膜或磨砂也有著其他使用價值。

2.3 立體光固化的相關成型技術

目前世界上各研究人員主要針對立體光固化方面進行對3D打印技術的研究，并且取得了良好的研究成果，相對來說對它的研究較為成熟，在此技術領域內此項技術的適用范圍更為廣泛。該技術同樣采用計算機控制的方式，對一些液態的光敏樹脂進行掃描工作，達到凝固材料的效果，同樣是在經過層層疊加后達到3D打印成型的效果。在進行該技術的相關開發過程中可以運用其他相關材料來進行對傳統3D打印技術材料的替換。

3 結語

本篇主要對3D打印技術在發動機零部件的鑄造過程中的運用和與該技術有關的使用探究工作。本文首先對鑄造行業中運用的3D技術，在三維的印刷技術、粉末材料選擇性的激光燒結技術、立體光固化成型技術等幾個方面進行了深入探討，其次介紹了3D打印技術在鋼鐵鑄件生產時的相關運用，最后分析了3D打印技術的多種成型技術，對相關技術進行總結研究，分析其在汽車零部件制造業的優勢。通過多方面的研究，對方法加以試驗總結，希望相關技術人員可以對該項目進行進一步研究實驗，在大程度上減少在3D打印技術進行生產過程中會出現的問題，減少零部件生產過程中產生的誤差。本文多次提到的3D打印技術在零部件生產時的應用，間接地說明了汽車3D打印技術的成熟有助于推動我國的技術更進一步發展，對3D打印技術進行適當地投資發展，為我國的模具制造和汽車零部件生產做出更大的貢獻，以實現將3D打印技術更好地應用到汽車零部件的生產中。

參考文獻：

[1]馬濤，李哲，程勤，馬浩楠，陳玉丹.3D打印技術在砂型鑄造領域的應用前景淺析[J].現代鑄鐵，2019，39（02）：38-40+50-51.

[2]尤完.3D打印建造技術的原理與展望[J].建筑技術，2015，46（12）：1081-1083.

[3]張少華.3D打印技術優化發動機設計[J].重型汽車，2017（02）：9.

[4]張薇，于洪陽，王昌斌，張斌.淺談3D打印零部件在汽車上的應用和展望[J].汽車工藝與材料，2019（07）：7-10.