淺談增材制造在水利工程中的應用

趙漢哲

(哈爾濱工業大學，哈爾濱 150000)

增材制造(AM)是根據計算機三維圖形數據，直接通過添加材料的方法，層層堆積，生成任何形狀的物體，在整個生產制造過程無需原胚和模具，簡化了產品制作程序，縮短產品研制周期，提高效率降低成本。該技術已經應用于航空航天、工業、汽車、醫學以及口腔醫學等領域，能否在水利工程上進行應用，如何使用控制軟件、粉末技術溶化成型技術以及材料如何添加等還面臨著一定的研究。

1 水利工程的特性

水利工程具有很強的系統性和綜合性，對環境有很大影響，由于受水的作用，工作條件復雜，施工難度大，受各地的水文、氣象、地形、地質等自然條件影響，水利工程的設計、施工存在不同的制約。尤其東北寒冷地區，面臨水利工程施工季節性影響較重，如何能夠抓住有力的施工期，如何在保質保量的前提下干好水利工程，是未來面臨探索的一大重要課題，未來是科技的時代，增材制造技術在其他領域被廣泛應用，如何應用于水利工程，需要不斷探索研究。

2 增材制造的發展及原理

2.1 增材制造的發展

早在20世紀80年代初，人們就發明出了增材制造設備，然而直到1987年，第一臺商用增材制造系統SLA-1，才由美國3D Systems公司率先推出。它的工作原理基于立體平板印刷(Stereo-lithography，SL)原理，該系統第一次讓使用者能從計算機數字化數據直接“打印”獲得物理實體。增材制造技術的發明，由于可以節約大量時間，特別是對于復雜和困難的模型生產，而成為產品生產的“分水嶺事件”，是產品開發和生產進入到一個新的時代。新的增材制造技術不斷被推陳出新，增材制造系統的新應用也被挖掘和不斷擴展，材料方面的改進，固化后具有更好的力學性能的新型樹脂和更加精確、更快成型的技術使增材制造成為制造模具的有效方法。直到2009年，引發了低價個人3D打印機的爆炸式增長，如MakerBot、RepRap等公司生產的這類打印機。允許個人以一個較低的價格就能使用增材制造技術。預示未來增材制造將成為人們日常生活的一部分[1]。

2.2 增材制造的基本原理

盡管增材制造系統發展中使用了不同的技術，但它們的基本原理都相同[2]。

1)用計算機輔助設計與制造(CAD-CAM)軟件建模，設計出零件模型。構建實體模型，為一個明確定義的封閉容積的閉合曲面。這意味著這些數據必須詳細描述模型內、外及邊界。如果構建的是一個實體模型，則這一要求顯得多余，因為有效的實體模型將自動生成封閉容積。這一要求確保了模型所有水平截面都是閉合曲線。這一點對增材制造十分關鍵。構建了實體或曲面模型之后，要轉化為由3 D Systems公司開發的一種稱為STL的文件格式。STL文件格式是利用最簡單多邊形和三角形逼近模型表面。曲度大的表面需采用大量三角形逼近，這就意味著彎曲部件的STL文件可能非常大。某些增材制造設備也能接受IGES文件格式，以滿足特定的要求。

圖1 增材制造的四個方面

2)計算機程序分析定義制作模型的STL文件，然后將模型分層為截面切片。構建了實體或曲面模型之后，要轉化為文件格式。STL文件格式是利用最簡單多邊形和三角形逼近模型表面。這些截面將通過打印設備將液體或粉末材料固化被系統地重現，然后層層結合形成3D模型。也有另外其他技術是將這些薄層切片，固態片層通過膠黏劑結合在一起形成3D模型。其他類似的方法也可用于構建模型中。

增材制造系統可以概括為4個基本部分。圖1中的增材制造的圖輪描述了增材制造的四個關鍵方面。它們是：輸入，方法，材料，應用。輸入，指要用數字化信息描述3D實體，即數字化模型；方法，大致可以歸為光固化類、剪切與黏連類、熔化和固化類、單激光束類、雙激光束類和蒙面燈類等；材料，形態有固態、液態或粉末；應用，可分為設計、工程分析和規劃、制造和模具等。

3 增材制造系統的分類及優勢

3.1 增材制造系統的分類

現在市場中眾多的增材制造系統有很多種分類方法，其中較好的一種方法是以原材料的形態來劃分增材制造系統，這些材料可以用于制作原型或制造零件。增材制造系統按使用材料形態方式分為：①液態材料②固態材料；③粉末材料。原料為液態基材的增材制造系統使用的材料是液態材料，通過固化過程即液態變為固態的過程進行成型，圖1中，有3種方法屬于“光固化”法；除了粉末，固態基材的設備系統包括所有的固態形式，可包括絲材、帶材、層壓板和粒料等形狀形式，圖1中，有兩種方法屬于固態材料的增材制造系統；粉末大體上是固體形態，這種材料的增材制造系統都使用的是連接/黏接方法，這些連接/黏接方法的區別在于有的采用了激光，而有的則采用膠黏劑來實現接合效果[3]。

圖2 增材制造技術集成

3.2 增材制造的優勢

當今自動化時代，不用模具、不限形式的增材制造系統可以直接生產小批量的功能部件。以這種方式產生的零件通常具有僅次于機加工的精度和表面粗糙度。而一些先進的系統能夠生產接近或達到最終形態質量的零件。生產的零件，經過適當的后處理，具有或接近最終產品的材質和性能。更重要的是，生產零件所用的時間(一旦設計數據完成)很短，甚至可以以小時計。在圖2中，上部分描述的是傳統生產活動模式所需的全過程，下部分描述的是增材制造的模式。兩者在生產規模、節省時間和成本的比例在50%～90%之間不等。

直接優勢，在相對較短的時間內獲得任何復雜的物理模型用于產品驗證或進行實驗。不受制造過程的限制，不用考慮制造拔模斜度、分型線或其他類似的約束。模具和制造工程師，可以節約成本。制造工程師可以最大限度地減少設計、制造和驗證工作。因為固定成本較低，可以更早地實現新產品的利潤。

間接優勢，營銷商以及消費者都將收益于增材制造技術的使用。對市場和供應有益處，對消費者可以買到更貼近個人需求的個性商品。

4 增材制造過程

造系統大都有相似的工藝鏈。增材制造系統物工藝鏈如圖3所示。制造過程有5個步驟：①3D建模，是增材制造過程基本條件，是整個工藝鏈中最耗時一步；②數據轉換及傳輸，據傳輸過程很直觀，數據轉化過程可能是整個過程鏈中最簡便、用時最短；③檢測與準備，CAD模型質量取決于CAD系統、人工操作及后期處理，包括產生不必要殼-針類缺陷模型等；④打印，這一步大多數實現了完全自動化；⑤后期處理，是工藝鏈中的最后1步。根據模型的質量，可能需要反復進行第3步和第5步直到模具或零部件達到令人滿意的標準。[4]

增材制造過程應注意的問題：①建模不正確，與傳統數控編程不同，不論基本圖元(Basic Element)是曲面模型還是實體模型，增材制造建模都要求模型必須是封閉容積；②對增材系統中的參數設定不充分，導致系統性能無法發揮到最佳水平，或出現瑕疵或錯誤；③檢驗時未及時發現錯誤，引發缺陷模型；④后期處理不當，損壞部件。

圖3 增材制造系統的工藝鏈

5 增材制造應用在水利工程的未來前景

5.1 快速成型，方便應用

增材制造技術的創新應用已經被探索和研究。設計人員只需要一個物理的模型和具有一定功能的模型，快速制造和快速模具，可以生產出最終的產品和模具，可以直接制造出少量的小型原型件產品，再根據需要批量生產，在渠道襯砌，標準斷面等應用可以大量生產，即使是冬季或者雨季也不影響施工，只要制造材料準備充足，便可通過制造技術大量生產。

5.2 減輕自重，方便運輸

大規模個性化的增材制造，實現與快速制造、增材制造概念密切相關的技術將大批量的個性化定制產品制造出，在建筑領域應用，輕度較一般建筑材料5倍，水利工程地處偏遠環境，運距較大，這樣就可以方便運輸，能夠快速運達施工現場，加快施工進度。

5.3 節約人力物力，降低成本

增材制造應用在水利工程中，可以通過批量和個性定制，有效節約人力物力，減少大型機械等的不便利等條件，加快工程進度，縮短建設工期，降低施工成本，有效節省建設成本。

5.4 加速新材料新技術研發，加快推進成果轉化

增材制造在水利上應用，也加速推動了水利工程新材料的研發，通過增材制造工藝使用不同材料產生不同作用，可以針對不同的水利工程以及不同的工程部位運用不同材料進行規模化生產，同時可以針對特殊要求通過新材料在增材制造工藝中應用得到更好的工程特性。新材料的研發可以在節約成本，批量生產中起到了重要作用，也為促進增材制造工藝的快速發展起到良好的推動作用。

增材制造對于很多領域具有涉獵，未來增材制造將會成為世界經濟支撐，不就將來能夠在水利行業得到廣泛應用，也是社會進步的又一革命。