增材制造技術在農機熔模鑄造工藝中的有效應用

王亞平

（山西省呂梁市離石區中小企業服務中心，山西 呂梁 033000）

在工業制造過程中，熔模鑄造工藝能夠發揮重要的作用，可以用來制作形狀復雜的零部件。結合增材制造技術與熔模鑄造工藝，并應用在農機生產工作中，可充分發揮兩種不同工藝的優勢，有利于提升農機設備的產品質量，因此分析增材制造技術在農機熔模鑄造工藝中的有效應用具有重要意義。

1 增材制造技術

1.1 概念

增材制造技術包含計算機輔助設計技術、材料加工與成型技術，同時需要將數字模型文件作為技術應用的基礎，再借助數控系統和軟件將專用的金屬、非金屬或是醫用生物材料，采用熔融、收集、擠壓、噴射、光固化等形式進行逐層堆積，從而制造出實際的物品。該項技術也可稱為3D打印技術。相較于傳統的加工處理模式，增材制造技術主要通過累積材料的形式制造物品，在復雜結構件制造方面呈現出了顯著的優勢[1]。

1.2 優勢

在應用增材制造技術的過程中，不需要傳統形式的夾具、刀具以及多項工序，只需使用一臺設備，即可快速且精密地制造出各種形狀復雜的零部件，基本可以實現零部件的“制造自由”。不僅可以大幅度降低復雜零部件的成形難度，還大幅度減少了零部件的加工工序，顯著縮短了加工周期，并且從實際來看，零部件的結構越復雜，增材制造技術的優勢越顯著[2]。

1.2.1 產品精度高

因為增材制造技術需要粉末顆粒堆積及黏結使物品成型，所以其成型精度較高，如果對產品表面光潔度要求較高，則適合使用增材制造技術生產。

1.2.2 成型速度快

采用增材制造技術可以直接將計算機中的三維模型打印成實體的零部件或是模型，不需制造模具，所以生產制造工作的環節較少，也就可以縮短產品生產周期，并提升生產效率[3]。并且，三維模型的成型時間僅為數小時，相關的研發人員以及設計人員可以在較短的時間內，使圖紙中的內容呈現為實體模型。

1.2.3 節省材料

采用增材制造技術能夠直接打印實物，不需要進行去除邊角料一類的操作，也就可以有效提升材料利用率。例如在冷酚醛樹脂打印機應用過程中，打印時未成型的砂子，即能夠經過篩選機之后重新被利用。

1.2.4 制造方便

應用增材制造技術時，不需選擇固定的生產車間，也不需集中生產時間，而是可以采用更加便捷的分布式生產模式，并且增材制造技術相應的設備移動較為便捷，部分設備還可用來制作大于自身體積的零件[4]。

1.3 典型工藝

增材制造技術包含多項現代化的工藝，隨著各項技術的不斷發展，增材制造技術的應用效果不斷提升。根據能源類型分類，其可分為“激光成型” “非激光成型”兩個類別；根據成型材料形態分類，其可分為“金屬粉末” “薄材” “絲材” “液態” “非金屬粉末”五個類別。當前應用頻率較高的五類增材制造技術分別為：選擇性激光燒結技術、光固化成型技術、熔融沉積制造技術、三維印刷技術、分層實體制造技術[5]。

1.3.1 選擇性激光燒結技術

選擇性激光燒結技術以激光束作為能量源，首先應在打印平臺上均勻鋪設打印材料，之后使用激光束根據由計算機軟件導出的輪廓以及路徑，在指定區域開展掃描工作，同時熔融處理粉末材料。粉末材料在燒結以后形成燒結層，經過逐層燒結處理之后，即能夠構成零部件整體[6]。可以應用于該項技術之中的打印材料較多，例如石蠟、陶瓷粉末、金屬粉末以及高分子材料等，且所需的能量源均為激光束。但是各項打印材料可以呈現出不同的形態，例如光敏樹脂為液態，金屬材料和非金屬材料多為粉末狀態。

1.3.2 光固化成型技術

光固化成型技術又稱為立體光刻成型技術。運用該項技術需要以光敏樹脂為原材料，通過計算機軟件控制，將紫外線激光束作為能量源，針對不同分成截面形狀軌跡逐點掃描，經過掃描的光敏樹脂層則能夠出現光聚合反應，并逐漸固化，之后即能夠在零件上形成薄層截面。每一層成型之后，打印平臺均能夠向下移動，移動幅度為一層的厚度，之后針對已經成型的光敏樹脂表面繼續鋪設光敏樹脂，再繼續上述操作。在新一層光敏樹脂與上一層光敏樹脂完全固化黏結之后，即為一次成型操作完成，反復如此，便可逐步打印出零件。當前光固化成型技術已經基本處于成熟狀態，尺寸精度相對較高，每一層的厚度通常在0.05 mm～0.15 mm，可以高效加工以傳統加工形式難以有效加工的復雜零部件，但也存在一定程度的局限性，例如需要在其中添加一定程度的支撐，且因為材料為樹脂，所以可能出現疏松情況。

1.3.3 熔融沉積制造技術

熔融沉積制造技術又稱為容積擠出成型技術，需要應用尼龍或石蠟一類的熱塑性塑料作為打印材料。首先將其加熱，直至材料處于固液混合狀態，之后通過計算機控制，于打印平臺上逐層打印固液混合薄片層，通過薄片層的逐層堆積，即能夠逐漸構成完整的零部件。在打印產品的過程中，每一層薄片均需其上一層薄片為其提供支持，對于鏤空的位置，則需要另外增加一個支撐部分。應用該項技術的最大優勢即不需要應用激光束，且設備造價相對較低，特別是如果選擇使用蠟作為打印材料，還可直接將已經成型的零部件應用于鑄模制造工作當中[7]。

1.3.4 三維印刷技術

三維印刷技術的使用原理與噴墨打印機原理具有一定的相似性。首先需要在打印平臺上鋪設粉末材料，之后根據計算機軟件既定的路徑，使用噴頭噴射液態黏結劑，噴射結束之后，在黏結劑上方再次鋪設粉末材料，并繼續重復上述步驟，直至零部件整體打印完成。在黏結劑固化以后，將多余粉末去除即可。在應用該項技術的過程中，打印材料通常為高分子材料或是其他類型的粉漿。在打印工作完成之后，應將零部件置于打印成型箱之中進行保溫處理，或是置于加熱爐中合理加熱，以進一步提升其黏結劑的固化效果，同時也有利于提升零部件自身的強度。從實際來看，該項技術的優勢主要在于操作過程便捷、操作過程清潔度較高、可應用的打印材料類型較多、不需進行支撐、可將多余材料回收利用等；缺點則在于表面粗糙度以及精度不足，不適合應用在細節較多、結構復雜的薄壁零部件加工工作中[8]。

1.3.5 分層實體制造技術

分層實體制造技術的主要能量源為加熱輥以及激光器，可以應用于其中的打印原料主要包括金屬帶、塑料袋以及單面涂有熱熔膠的紙張等。其中的成型原理如下：根據已經分層切片的二維模型，可以確認需要打印的內外輪廓，之后使用激光器切割處理帶狀材料，同時使用加熱輥加熱熱熔膠紙，使經過切割的片層能夠與上一片層有效黏結，并數次循環上述步驟，直至零部件打印工作完成。應用分層實體制造技術的優點是制作精度較高，原材料之中少量的黏結劑自固態轉換成為熔融態之后，紙材仍然處于原本的狀態，且成型的零部件具有較強的機加工性能以及較高的強度，同時成型速度較快，并不需要添加支撐；缺點是不可直接成型塑料零件，不可成型結構較為復雜的零件，零件彈性以及抗拉強度不足。

2 增材制造技術在農機熔模鑄造工藝中的應用

2.1 制造過程

以上闡述的各項技術均具有不同的優勢，在本次研究之中，主要應用選擇性激光燒結技術進行農機發動機葉輪的熔模鑄造工作。

選擇性激光燒結系統首先需要接收農機發動機葉輪的CAD 模型，根據實際情況選擇相應的格式。本次研究應用STL 格式，為了構建三維實體表面，需要應用大量的三角形面片逐漸圍成模型實體，形成一個基本等同于理想狀態部件的模型。在系統接收到實體CAD 模型之后，應用專門的切片軟件，針對模型進行縱向切片[9]。

在切片操作過程中，切片平面必須具有一定的高度，之后與模型求交，獲得模型與平面之間的交線。此交線即為零件層面的邊界，針對由該邊界所構成的封閉區域，借助切片軟件，使用直線段將其填滿，所獲得的即為模型的一個層面，如圖1 所示。其中各線段之間的距離，即為進行激光掃描所產生的間隔；填充線段，即為掃描線。

圖1 模型層面

在獲取到模型層面之后，使用計算機控制系統激光束，以其中的掃描線為基準，燒結處理相應位置的石蠟粉末材料，即能夠獲得一個層面的蠟模。完成一層燒結工作之后，工作臺向下方移動，移動幅度即為一層的厚度，之后重復上述步驟，直至熔模燒結完成。

2.2 注意事項

2.2.1 控制造型精度

在應用選擇性激光燒結技術進行熔模鑄造工作的過程中，需要應用STL格式的CAD模型構建近似理想狀態的模型，模型與理想狀態之間的差異，即為造型誤差。理論上，模型中應用的三角形面片越多，造型誤差越小，模型精密度越高，但是過多的三角形面片會使數據處理工作的效率下降，所以需要注意控制造型精度。

2.2.2 控制掃描間隔和切片厚度

在選擇性激光燒結技術的過程中，鑄造熔模的表面質量以及精度均受到切片厚度以及掃描間隔的影響，其中的厚度及間隔越大，在制造時能夠呈現出更顯著的臺階效應，熔模的形狀及精度也就越不理想，同時表面質量不佳，如圖2 所示。但是，縮減層厚就必然增加層數，雖然可以起到提升精度和優化形狀的作用，但是掃描間隔減小，掃描次數增加，生產效率也會受到影響。

圖2 臺階效應示意

3 增材制造技術在農機熔模鑄造工藝應用中的不足

在農機零部件生產制造工作過程中，應用增材制造技術存在諸多不足之處：1）能應用增材制造技術生產的零部件均具有尺寸較小的特點，而生產大尺寸部件，傳統形式的模樣制造工藝更具優勢；2）在應用選擇性激光燒結技術的過程中，不但需要應用高能激光術，而且對生產環境溫度較高，易導致部件出現變形或者產生內部缺陷，而關于部件的性能檢測方法，當前尚不明確；3）增材制造技術所需的部分設備價格較為昂貴，例如光敏樹脂一類的原材料，所以該項技術當前尚不能得到十分廣泛的應用；4）在應用增材制造技術打印部分高分子材料的過程中，有可能導致有害物質產生，并使環境受到不良影響。

4 結語

當前我國正在積極推廣智能制造，增材制造技術必然會得到更加良好的發展，且其與熔模制造技術結合也是大勢所趨，可以使制造精度更高、生產時間更短、操作難度更小，有效彌補傳統形式的生產制造中存在的不足。在農機部件熔模制造工作中，將增材制造技術應用于其中，能夠使農機零部件的生產效率更高，質量更好[10]。當前國家對增材制造技術的投入越來越多，各個行業對該項技術的認知也不斷深化，也就使增材制造技術成為一項發展潛力十足的生產技術，其能夠與熔模制造相輔相成、相互促進，充分發揮二者的優勢。另外，在應用增材制造技術生產農機零部件的過程中，主要是應用各項數控技術，以實現農機零部件的生產一體化。由此，可以推動我國農業得到進一步發展，并更加有效地推動農業科技化和現代化發展，同時提升我國整體經濟水平。