3D打印技術的機械零件設計研究

熊祥斌

(三明技師學院 福建三明 366000)

隨著我國近年來工業的不斷轉型與提質增效的提出，工業制造不再依賴傳統的方式進行，而是大力引進先進的技術，促使相應的技術與工藝進行轉型。3D打印技術越來越表現出了突出的機械設計優勢[1-2]，國家在增材制造方面對3D 打印技術給予了高度的評價。《國家增材制造產業發展推進計劃（2017—2020年）》指出，要將3D打印技術視為我國制造業生產過程中的一項重要技術，要加大政府的財政投入與研究力度，為3D打印技術提供更為健康的發展環境，同時還設立了積極的推進方案。同樣在《中國制造 2025》也對3D打印技術給予厚望，強調智能機械產品的設計離不開3D打印技術，要加強這類技術對智能裝備的研發與量產。由此可見，3D打印技術會成為未來機械零件設計與制造乃至工業發展的優勢技術，我國應該積極地創造產業集聚園地，推動3D 打印技術的機械零件制造應用，以增強產業的轉型與升級。

1 3D打印技術及其優勢

1.1 3D打印技術內涵

3D 打印技術是指以數字規模作為基礎，應用塑料、金屬等相關的粘合材料，通過網絡逐步設計的方式來完善產品技術結構的一種技術[3]。設計者通過軟件來進行相應機械零件的三維模型設計，然后通過切片處理滿足設計制造上的數據控制，同時通過設備成型噴涂制造出所需要的三維產品。3D 打印技術往往與數字工業、信息技術、材料技術等融合在一起，也是當前“工業4.0”發展所必須的技術之一[4]。由此可見，3D打印技術能夠實現我國機械制造的自動化與智能化，對我國機械零件乃至工業實現技術轉型具有較強的現實意義。

1.2 3D打印技術的優勢

3D 打印技術相比于傳統的加工制造具有較多的優勢性。首先，3D 打印技術無需模具，也不需要刀切以及運用夾具來形成模型，這無形中縮短了機械零件制造的時間，降低了模型成型的這一周期過程。因此，相對于傳統工藝來說，真正做到了想象與現實的融合，能夠在以零原件的基礎上實施有效的設計。其次，使設計者實現了復雜結構的輪廓呈現，在現實設計中由于結構材料的復雜性導致設計層面困難重重，再加上材料獲取難度較高，促使更多工藝結構復雜的產品處于一個理論階段，3D 打印技術則降低了這樣的問題，通過在電腦上呈現不同輪廓的層層疊加，提現出了復雜輪廓的層次性與結構性，增強了產品設計的可能性以及打印塑造的可能性。最后，簡化了工藝流程。傳統的機械制造工藝需要通過焊接、栓接等對各零部件進行裝配。3D 打印技術則能夠在軟件的運行下實現一次性成型，簡化了諸多環節的裝配過程，這也是該技術所帶來的經濟效益[5]。

2 3D打印技術在機械零件設計中的應用現狀

2.1 技術運用表現出顯著性成績

與其他的技術相比較，3D打印技術也表現出了典型的技術特征，在安全性、精度設計、打印速度等方面都有其優勢。相關的研究資料顯示，3D打印技術在其傳統設計過程中成本往往是一般技術設計的1/10 左右，各大公司對于技術的應用顯出了較強的積極性[6]。由此可見，這一技術的應用成就顯著。

2.1.1 增強了產品的制造率

傳統的機械制造在設計完成之后，必須要經過諸多的工序來進行，成品制造工序較為復雜，而且一些結構復雜的小型產品成品率相對低，限制了這類產品的大量生產。而將3D技術運用到這類產品的制造中，不僅可以提升產品的制造率，而且還能夠加強復雜結構零件的精細化設計。

2.1.2 可以保證成品的高質量水平

3D打印技術能夠做到對產品的精準設計，且還能夠把握產品的材料特征，促使各機械零件金屬部件達到更高的硬度與強度，滿足技術工藝的剛性與柔韌性，這是傳統工藝水平所不能完全保證的。因此，這也是3D打印技術廣泛應用到機械零件設計的優勢所在。

2.2 不同機械零件中的設計運用

機械零件包含多個類型，該文通過形狀將其分為軸套類、箱體類、盤蓋類和叉架類四大類，分別進行零件的設計應用探討。

2.2.1 軸套類

軸套類零件最主要的特征在于以同軸旋轉為主要的結構，而這一結構對軸的橫向與縱向尺寸要求精度較高。傳統的方式設計這類零件需要通過削切等環節來保證產品的形狀與尺寸的合格性，隨著市場的需求量增大，無法做到大批量生產，而3D 技術則能夠滿足這一要求，不僅能夠達到對單個零件的技術標準要求，而且能夠實現批量化制作。在批量化制作的過程中3D打印技術就凸顯其優勢，在軟件設計中明確其結構特征，有效設計內部夾層結構，從而增強了產品設計的精密性。

2.2.2 箱體類

箱體類零件主要特征是結構較為復雜，應用性廣泛，對于產品的密封性要求較高。傳統工藝設計會加強對箱體類零件的鑄造要求，批量生產也會注重產品質量的材質以及不同模具的精度。如果出現精度失誤，那么產品就會成為次品，達不到箱體內機械零件產品的合格要求。3D打印技術設計體現零件結構特征，而且也能夠簡化工序，提升成品的合格率，不僅節約了生產時間，而且降低了材料成本。

2.2.3 盤蓋類

盤蓋類零件主要是對各類箱體實現有效的連接，產品的特征為扁平狀或者圓形，這類零件起到固定作用。3D 打印技術的應用可以增強這類產品的設計美觀特征，還可以通過對內部結構的有效規劃，完善其實用性的同時，增強其美觀性，與傳統工藝相比，降低了產品尺寸的差異性。

2.2.4 叉架類

叉架類零件樣式豐富多樣，往往產品不對稱，這類產品主要用于對零件的連接，但這類產品對精準度要求較高，往往對一些孔、叉有較高的要求，傳統的工藝很難達到成品各個都合格，容易出現變形的產品，且由于產品的不對稱性，導致夾具或模具使用較多。在這樣的過程中，不利于大量、短時生產。借助3D 打印技術能夠降低這類問題，提升叉架類產品的生產速度，降低模具產生的誤差，提升產品的精準度。

3 3D打印技術運用存在的主要問題

隨著3D技術的不斷應用，當前在機械零件設計中取得了較大的成績，但是還沒有將這一技術運用到整體的機械制造產業當中，這一過程凸顯出了技術應用還存在諸多問題。

3.1 部分企業的接受理念不強，推廣力度受限

3D 打印技術雖然在機械零件設計過程中具有優勢性，但是當前的部分企業對此的接受理念并不強，也導致了這類技術的推廣力度受到較大的限制。有資料調查發現，這類技術目前應用于一些大型的機械制造企業，其領導比較重視技術運用，而對于小型的機械制造企業，企業領導并不重視這一技術的使用。由于3D技術推廣還處于一個初級階段，較多的企業持有觀望態度，還沒有看到技術的成熟使用過程，認為這類技術雖然具有較高的優勢，但并不能完全替代傳統機械零件制造[6]。其原因在于技術的引進不僅需要購買機器，而且還需要軟件技術人才，對于小型企業而言都是增加成本的一種方式，不利于經濟效益的提升。

3.2 技術運用不足，量產仍舊需要時間

雖然3D打印技術表現出了較高的技術優勢，但就其機械零件設計中仍舊沒有得到廣泛的應用。就技術而言，3D 打印技術的技術難度并不是很大，但是也要做到與相應的機械設計材料以及結構的融合，這樣的融合發展需要時間的積累，相應的機械制造企業由于缺乏技術性人才，也導致了3D技術開發與研發力度不足。諸多企業負責人指出3D 打印技術就目前的技術應用而言，表現為量產速度遠遠達不到市場需求，說明了這一技術的應用不足[6]。為了增強機械零件的技術應用，需要政府加強關注，鼓勵企業加大技術應用力度，才能在機械零件設計過程中逐步滲透技術，增強技術應用的速度，提升量產的可能性。

3.3 機器成本較高，企業購買的積極性受挫

3D 打印技術依托3D 打印機來實現，就目前的市場來看，這類機器的價格并不低。如果機械制造相應的企業對于打印機的需求量不高，用于少量的機械零部件生產，能夠降低相應的技術成本，但就其大規模應用來看，機器的購物置成本并不低。再加上企業對3D打印機技術的了解不全面，使許多的企業并不愿意購買這類機器。這顯示出3D 打印機技術應用于機械零件設計中還處于初級階段，相應企業的人員對于這類技術的研究并不深入。就對機械產品制造負責人的調查來看，90%負責人認為目前這類技術機器的成本相對較高，這也是企業不愿意購買機器的關鍵所在。

4 3D打印技術在機械零件設計運用中的優化策略

為了增強3D 打印技術在機械研究設計中的廣泛應用，增強這一技術的領域常態化發展，就必須要完善當前的不足，針對問題該文提出了相應的完善策略。

4.1 加大宣傳與推廣，提升企業的接受能力

4.1.1 宣傳并更新設計理念

部分企業對3D打印技術接受能力不強，也說明了這一技術對某些企業而言還存在著技術不深入人心的情況，或者是技術在應用過程中并不能完全符合企業的制造過程，不論是哪一種方式，都說明了3D 打印技術還沒有形成一種常態化機制參與到制造企業中。首先，應該宣傳這類技術，讓更多的企業意識到3D 打印技術的優勢性，逐步將機械零件過程轉移到通過這一技術來加強設計，降低零件設計的時間與成本，提高設計量產的速度，提升總體的生產效率。其次，更新設計理念。針對在企業中的不適應性進行有效的技術更新，提升機械產品生產加工過程中的集成度與穩定性，對相應的生產過程進行深入的分析，妥善安置各個流程；針對不符合的地方進行開會討論，增減各個運行環節，完成產品生產的精度保障，同時也能夠較大程度上提升零件生產的質量水平。

4.1.2 政府參與技術的構建

由政府引導來建立3D打印技術中心，那么可以增強企業的接受程度。政府在設計過程中要構建示范中心，增強企業的參觀性與體驗性，在示范中心過程中，首先，建立模型設計機構，促使企業能夠直觀地看到3D打印機技術如何進行設計的創新優化，短時間內形成模型的這一整體過程，增強企業的技術應用信心。其次，建立產品的批量化生產服務機構，讓企業了解整體性批量定制的技術應用優勢，同時還能看到3D打印定制服務。最后，要對產生的產品進行技術檢測。企業在技術檢測中可以看到3D 打印技術所帶來的產品優勢性，與傳統工藝相比，產品檢測合格率占據了優勢，才能增加企業對于這一技術的接受能力。

4.2 增強技術研發，提升技術應用的量產速度

4.2.1 增強技術的研究與創新適應

當前3D打印技術還沒有完成全面性、批量化技術生產，也說明了技術在企業適應過程中具有較大的局限性。在未來的技術使用中，應該加大對技術的研發，促進機械零件產品的生產與技術具有較強的融合性，從而增強產品的量產速度[7]。這一過程離不開政府的參與引導。首先，政府要給予較多的財政支持，尤其是針對一些企業帶頭進行技術研發，政府要給予較大的財政優惠或支持，用于鼓勵企業進行3D打印技術的適應性開發與研究。如果這類技術日趨成熟，能夠適應不同機械產品的設計與制作，那么企業的廣泛性應用以及批量化生產都會成為常態化趨勢。其次，建立技術研發生態網絡，促使3D打印技術的研發可以進行共享，不斷依據企業的發展要求來進行技術創新，能夠借鑒其他國家的技術戰略部署，以不同的研發單位作為研究整體，構建更多的服務平臺，以增強這類技術的技術應用與創新研發。

4.2.2 提升技術的自由設計能力

3D 打印技術實現了對原材料成型的創新設計[8]，通過軟件的圖像處理、數學建模，能夠對當前的傳統零件設計中的缺陷進行填補，提升了質量生產的合格率，這一過程必須要注重設計者的自由設計能力，不能局限于原材料的受限，也不受傳統工藝的影響，提高3D打印技術的創新能力才能增強這類技術的有效應用。因此，提升技術的量產速度關鍵在于技術設計的創新優勢上，能夠改變傳統的生產工藝效率低下的問題，能夠增強產品的創新設計能力，這才是提升3D打印技術應用的關鍵所在。因此，企業要在3D打印技術中運用更多的自由設計理念，鼓勵設計者依據自身的想法來改變零件的結構，提升層層疊加后的技術效果。機械零件的創新設計是未來機械制造發展的一個趨勢，自由設計能力就顯得尤為必要。

4.3 運用價格補貼機制，降低成本問題

為了增強3D打印技術的有效應用，對于一些小型企業而言，降低價格成本，才能增強其使用的積極性，為此政府應該建立完善的價格補貼機制，促使更多的制造企業敢于嘗試這類技術。雖然短期內實現這類技術的快速應用并不現實，但是通過價格的補貼逐步實現3D 打印技術的全機械產業領域的應用是未來可期的一件事情。同時，還可以對目前使用這類技術實現規模化生產的企業進行費用的減免，當企業形成一定的規模數量后，政府則可以制定相應的減稅規定，以此激發企業的技術應用激情，逐步了解3D打印技術的優勢性。

5 3D打印技術的未來挑戰與發展特點

5.1 未來挑戰：技術開發豐富性較高

3D打印技術的行業應用較為廣泛，發展前景不可限量，深入社會的各個層面，未來的技術發展中也面臨諸多的挑戰。針對機械零件行業而言，其技術開發的豐富性更高，主要表現在如下幾個技術方面的完善與開發。

首先，高效制造技術的應用，高效制造是企業發展的必然趨勢。3D打印技術在現有的技術基礎上，要不斷發掘高效制造技術，能夠保證機械組織在一定的區域內實現材料的融合，在質量合格的基礎上不斷提升構建的高效優化與完善能力。其次，精度控制技術的完善。對于機械零件而言，精度控制是關鍵所在，機械零件不同，其本身的精細度、厚度都有差異，3D打印技術通過電子掃描約束成型的精度，這一過程主要是光斑直徑影響。未來的發展中，通過光斑的精度設計來增強這些零件的精度技術控制能力，甚至會使精度滿足微納米級。

5.2 技術發展特點：個性、精簡、輕量

3D 打印技術的未來技術發展特點表現出了較高的個體需要，產品簡潔，輕量化設計。首先，滿足個性化設計需求。通過3D 打印技術對復雜結構的個體需求控制，產生更多的個性化需求高的產品。這也是3D打印技術自由設計的特點之一，能夠完成個性需求，要求對機械零件進行創新完善，促使其功能能夠滿足更多群體的需求。其次，設計更為精簡，凸顯了機械制造的方便與快捷，通過建模、切片，最終打印成需要的產品。降低了傳統的一系列生產工藝，節省時間的同時，增強了零件的結構性能，也說明了精簡并不降低其適用功能。最后，實施輕量化設計，這也是時代的需求與發展。隨著習近平綠色工業的提出，通過應用先進材料實現輕量化設計，也是滿足了節約成本的需求。傳統工藝對于加工制造的輕量化設計并不容易，通過3D打印技術則能夠實現自由設計的多孔度內部優化，也是對輕量化設計的一個有效技術完善。通過使用最少的材料來完成全面的功能所需，彰顯時代發展的綠色、節約主題。