3D打印技術在機械制造領域中的應用*

邢恒遠，孟憲莊，陳 娜

（1.江蘇聯合職業(yè)技術學院徐州技師分院機械工程學院，江蘇徐州 221000；2.中國礦業(yè)大學機電工程學院，江蘇徐州 221116）

0 引言

近幾年，在“中國制造2025”的大環(huán)境下[1]，中國機械制造領域的實體企業(yè)逐年增加，競爭日趨激烈，如何提高機械制造企業(yè)的生產效率、降低企業(yè)的生產成本，以及如何生產更有利于環(huán)保等實際問題亟待解決。在這樣的背景下，3D打印技術給機械制造生產方式帶來新的參考[2]。

3D打印技術是一種新興的鑄造技術，發(fā)展勢頭迅猛。其以數字模型為基礎，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)保強等優(yōu)點，在醫(yī)學醫(yī)療、航空航天、建筑裝飾、等領域中得到了廣泛應用[5]，且發(fā)展十分迅速，并日趨成熟。但是在機械制造和實際應用領域中，該技術的研究成果還不夠豐富。在汽車、航空宇航方面，3D打印技術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性能和強度要求，如圖1所示。針對上述幾點問題，本文旨在通過系統性地梳理3D打印技術的基本概念和原理，來獲取3D打印快速成型的基本過程和技術路線。以3D打印技術在實際過程中的應用為例，最終分析并揭示出3D打印技術在機械制造領域中的應用優(yōu)越性。同時，提出一種設計理念，為3D打印技術在機械制造領域中拓展新局面，打下良好的基礎并形成理論體系。

圖1 機械零部件的3D打印產品

1 3D打印技術基本概念和原理

3D打印技術是一種快速成型技術，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]。和傳統制造加工方式相比，3D打印技術有諸多優(yōu)勢，其最為顯著的優(yōu)點就是更加節(jié)約原材料，降低生產加工的成本[7]。以數字模型作為基礎，運用金屬或者非金屬材料，通過特定的設備逐層打印的方式來構造物體。3D打印技術采用分層加工、疊加成型，將數字模型轉換成3D打印設備能夠識別的文件格式，分層切片，得到每片的數字模型，按小片模型一層層加工，逐層增加材料來生成3D實物。除此之外，其能夠以零件的功能為主要目的進行設計，不需要考慮刀具及工藝，做到自由設計與制造。由于3D打印技術是一次性成型，所以零件加工周期大大減少[8－9]。

3D打印技術原本應用于模具制造、工業(yè)設計等領域，不同的3D打印機的工作原理不完全一樣，研發(fā)設備和使用過程也不盡相同。世界上第一臺3D打印機采用的是光固化立體成型原理，打印的產品尺寸精度可以細密到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，便可以得到表面細膩精度較高的打印產品。該打印方式適合制作中小型塑料產品，或者金屬噴涂等工況。

3D打印的實現要從建立數字模型開始，建立數字模型除了運用軟件設計以外，還可以掃描成型，也就是逆求工程。3D打印技術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）軟件進行數字模型的建模，常見的CAD設計軟件主要有Au?toCAD、Catia、UG、Solidworks、Pro/E等；接著對所建立的數字模型進行切片，也就是把數字模型微分得到每個輪廓面的形狀；然后將數字模型導出3D打印機可以識別的電子文件格式，并導入3D打印機；最后，使用3D打印技術對零部件逐層打印，也就是完成積分的動作，從而實現從虛擬到現實的過程[10]。在整個虛擬到現實的實現過程中，成型技術方法較多，針對不同材料和不同生產要求可以選擇不同成型原理，這就是在汽車生產和維修領域使用3D打印技術要研究的內容。

圖2 3D打印機快速成型的基本過程

2 3D打印技術在汽車領域中的應用

以汽車生產為例，通常來說，3D打印技術較適合運用于生產批量產品。一般零件的設計不僅僅需要考慮設計參數本身，還需要考慮其加工工藝或者實際裝配過程中的問題，這樣就會導致設計過程中含有與制造有關但與零件功能實現無關的剩余物，這會使得整體產品的質量相對笨重，很難進一步降低汽車重量。而如果使用3D打印技術，原材料只需要實現零件功能即可，打印出來的零件自然可以精簡，且制造精度也非常細密，基本可以滿足一般生產加工的實際需求。隨著3D打印設備的改進和完善，精密度還可以進一步提高。在汽車制造加工領域中，一旦3D打印技術大量使用，將會大大縮短從概念汽車到實際量產的時間周期。

以某品牌模型號的汽車輪轂3D成型為例，具體步驟如下。

（1）數字化建模。一般工業(yè)設計和制造方法主要有實體建模和曲面建模兩種。實體建模適用于規(guī)則形狀的零部件，曲面建模適合復雜、精細的不規(guī)則形狀。該案例采用的是Pro/E繪圖軟件，對某品牌某型號汽車輪轂進行3D造型繪制，其三維設計渲染圖如圖3所示。

圖3 汽車輪轂的三維設計渲染圖

（2）切片處理。所謂切片就是數字模型沿著某一個軸方向離散為一系列的二維層面，從而得到每個二維平面的信息，使得3D打印機能夠打印出每個薄層。數據處理切片是快速成型技術最重要的過程，數據分層的質量將直接影響產品打印的質量。將繪制好的模型轉換成Stl文件格式，如圖4所示，然后使用計算機控制軟件對模型進行切片。切片軟件主要有Cura、Rapid Tool等，可對3D模型文件進行切片處理，CAD圖形文件經過切片處理就能得到可以被3D打印設備識別的控制文件。主要使用的算法是基于集合拓撲信息提取的分層算法，因為這種算法效率最高。切片完成后，即可導出3D打印機能夠識別的文件，將該文件導入3D打印機中，即可讀取文件，并進行逐層打印。

圖4 轉換成Stl格式文件

（3）產品打印。在3D打印技術環(huán)節(jié)中，打印成型環(huán)節(jié)是最重要的。成型技術的優(yōu)劣直接決定打印的產品質量。目前，常用的成型技術主要有熔融沉積成型、三維打印黏結成型、選擇性激光燒結技術、直接金屬粉末激光燒結技術等。這里選用的打印設備是采用的直接金屬粉末激光燒結技術，設備型號的選擇是國內某主流品牌BLT系列3D打印機。其中，要對激光器進行選擇、對打印工藝參數進行調試，如光斑直徑、激光功率、掃描速度、掃描間距、分層致密度、預熱溫度等參數，實驗材料就是鋁合金。設備主要相關參數參考值如表1所示。

表1 3D打印機BLT系列主要相關參數

通過案例的應用，可以歸納出一種機械零部件的設計理念——自由設計理念，即零件設計過程中，不需要考慮零部件裝配、加工、工藝等過程，而是直接在3D打印機中一次成型。主要設計方法的流程：首先進行功能分析，即分析產品實現的全部功能和子功能以及其結構特征；其次約束分析，即設計產品時要考慮設計收到哪些約束，包括加工設備的約束條件；最后是結構設計，即力求結構最簡、功能最佳、成本最低、外觀最美，并且性能優(yōu)良，性價比高，同時滿足機械零部件的力學性能和強度要求。

3 結束語

本文通過對3D打印技術系統的理論梳理，得出3D打印機快速成型的基本過程和技術路線，并得出結論：3D打印技術是根據離散－堆積－微分－積分來實現成型的，更需要經過數字化建模－切片處理－打印－后處理等過程，將虛擬變?yōu)楝F實。

對3D打印技術的優(yōu)勢進行了總結，通過介紹3D打印技術的基本概念和原理，得出結論：該技術易于參數修改、工藝簡單、設計和加工周期短，適合產品的樣品制作、個性化定制、規(guī)模量化生產。

通過3D打印技術在汽車領域中的實例應用得出：自由設計機械零部件具有非常大的加工優(yōu)越性，3D打印機的參數也易于調整，這說明3D打印技術在機械制造領域中可以拓展新的局面，并打下良好基礎，為后續(xù)形成理論體系提供理論支撐。