基于3D 打印技術在機械制造中的應用研究

黃執高，張 勇，郭烈紅，朱海鵬，寧 超，羅永洪

（南昌大學科學技術學院，江西 九江332020）

傳統機械加工方式主要是車、銑、刨、鉆、鏜等，其生產過程中依靠人為操作各類型機器設備，通過制定工藝加工工序，完成其產品的生產制造。隨著科學技術的發展，涌現出了越來越多的新興制造技術，其中有一個名為“3D 打印”的創新技術，近幾年被尤為廣泛應用。3D 打印技術通過使用先進的CAD/CAE/CAM計算機輔助設計建模技術完成其產品模型的設計，并通過材料打印機來實現其制造過程，常用于機械、模具、工業設計等加工制造領域，由于其制造工藝比較簡單，常用于某些產品的研發與直接制造。很多制造加工科技公司在產品研發中使用該技術來打印所需的產品相關零部件，該項技術廣泛應用于航空航天、機械制造、模具加工、船舶、美術、藝術設計等制造領域[1]。和傳統機械制造技術不同，它帶來了新型的塑型制造及加工等“新潮”技術[2]，給傳統制造帶來一場大變革。

1 常用傳統機械加工方法及特點

在各類科技高速發展的今天，雖然涌現出很多新興的技術，但在中國的許多機械類行業和企業中，仍然保留著統的機械加工方法。機制加工制造中，常見的加工方法有如下2 種。

1.1 車削加工

車削加工是在車床上利用車刀對旋轉的工件進行車削加工的方法[3]，主要用于加工各種軸類、盤類、套筒類等具有回轉表面的回轉體或非回轉體工件，是機械制造和修配工廠中使用最廣的一種加工方式。其加工項目內容包括車圓柱面、車圓錐面、車端面、車溝槽、車成型回轉面、車螺紋、滾花、鉆孔、擴孔、鉸孔、攻螺紋等。粗車時，尺寸精度可以達到IT8～IT7，表面粗糙度Ra6.3～1.6 μm；精車時，尺寸精度為IT6～IT5，粗糙度為Ra0.4～0.1 μm。

1.2 銑削加工

銑削加工是將毛坯固定，利用銑刀高速旋轉在毛坯上走刀，切出需要的形狀和特征的加工方法[3]。其項目加工內容主要有銑平面、銑鍵槽、銑燕尾槽、銑臺階面、銑螺紋、銑齒輪、銑成型面、銑螺旋面等。也可以對各種平面、溝槽等進行粗、精加工，其加工尺寸精度可達IT9～IT7，表面粗糙度可以達到Ra6.3～1.6 μm。

2 3D 打印技術的工作過程

3D 打印成型技術和傳統加工制造技術不同，是一種增材技術，其工作原理是將原材料多層疊加，平面工作臺自動升降，將零部件從無到有地生產、加工出來。和傳統機械制造技術不同，它帶來了產品制造過程中新型的塑型制造及加工等“新潮”技術，在實際工作中和數控技術結合可快速完成復雜機械零件的加工制造。其在機械領域應用主要在以下2 個方面。

2.1 增材技術

增材技術是運用粉末金屬或塑料等可粘合材料，通過一層一層疊加的技術，基于離散累加原理，由特定的三維坐標切片生成真實物體，體現了直接性。該技術結合了數學和圖像領域的許多技術，如數學建模方法、數學分析方法、圖像處理與仿真技術、機電技術和金屬材料等。

這種技術的局限性也是比較客觀的。例如，材料組裝控制問題直接體現在金屬成型過程中，因為三維打印CT 層是堆疊的，堆疊過程中容易發生金屬氧化，這將直接影響制造實體的質量和性能；堆積層厚度不易控制，堆積層過厚，制造固體表面不光滑，精度下降，粗糙度增大；一些高精度制造的零件可能需要多波束配合。這些光束的頻率和溫度必須一致并同步制造，才能確保制造零件的穩定性和效率。

2.2 3D 打印技術與數控技術的結合

3D 打印技術是利用粉末冶金、塑料和陶瓷通過噴嘴形成固體。數控技術是一種材料還原技術，即在最終產品的成形過程中，對加工后的材料不斷進行還原，最終形成真正的材料。在實際產品生產制造過程中，增材技術與減材技術結合使用，可以快速縮短新產品研發的周期、節省研發成本，為后續產品的批量生成提供原始生產制造的原始數據參考，提高了生產的效率，有利于產品工藝制造過程中工藝方案的制定，為大量生產其產品提供依據。

3 3D 打印技術的工作原理和加工制造方法

3D 打印技術是一種“降維制造”思想的制作過程[4]，先將三維實體轉化成三維電子模型，然后把電子模型進行二維分層，逐層制作并累積起來的技術，其形成需要三維實體模型，具體加工制造過程如下。

3.1 三維模型的構建

建模方法主要有3 類：①借助CAD/CAM/CAE 三維建模軟件，將實體模型轉化成軟件中的電子模型；②提供實體不同角度下的照片，計算機通過照片分析而反應得出實體的電子模型，常用軟件是Autodesk 123D Catch；③通過3D 掃描儀掃描物體，分析現實物體中環境或物體的形狀、外觀數據等一些信息，從而創建相應的數字模型。

3.2 打印模型格式的生成

將模型文件轉化為3D 打印機的文件格式，在保證各軟件之間的語言轉化準確性的條件下，建立起建模軟件和3D 打印機之間的協議通道。

3.3 模型的切片處理

CAD/CAE/CAM 專業軟件導出的格式文為.STL，然后利用專業的切片軟件進行處理后，將圖形數據轉成3D 打印機器可以識別的代碼格式。切片是用軟件轉換成3D 打印機動作數據（gcode）的過程。

3.4 成型加工

在計算機的控制下，相應的成型頭按特定的有規律運動，在工作空間一步一步地堆積材料，最終得到產品原型。

3.5 零件的后處理

通常采取的后處理方法有拆支撐、打磨、粘合、噴涂上色等，通過一系列的后處理措施，得到最終產品。

4 典型機械零件采用3D 打印技術制造和傳統加工相比的優勢

齒輪、葉輪是典型的機械零件，屬于復雜零件，采用傳統工藝加工，具有制造過程周期長、工藝復雜、工序長，制造成本高、設備一次性投入大等缺陷，尤其對新產品研發周期不利。假如采用3D 打印技術可以快速完成其產品模型的制造，為新產品的研發縮短周期，節省成本。具體制造工藝對比如下。

4.1 齒輪傳統加工制造工藝[5]

鑄造制坯：齒輪零件一般采用熱模鍛鑄造方式對毛坯進行鍛造。

正火：齒輪正火目的是獲得適合后序齒輪切削加工的硬度，對其熱處理進行組織準備，減少熱處理變形，避免毛坯缺陷。

車削加工：齒坯的加工是提高尺寸外形精度及定位準確的基本要求，一般采用數控車床對其進行加工，這樣既保證了其內孔和端面的垂直度要求，又保證了大批量齒坯生產的尺寸離散小等，提高了齒坯精度，確保了齒輪的加工質量。

滾、插齒：其實就是利用插齒刀或滾齒刀按照展成法或成形法加工內、外齒輪或齒條等的齒面。

剃齒：剃齒刀與被切齒輪在輪齒雙面緊密嚙合的自由展成運動中，實現微細切削過程。

齒輪修整：對于一些使用場合要求高（如變速箱）的齒輪進行毛刺檢查，以免裝配好后，齒輪運行時發出異響，同時也能將降低齒輪的磨損，提高使用壽命。

此外，還有熱處理、磨削加工等制造工藝。

4.2 葉輪傳統加工制造工藝

葉輪傳統加工制造工藝具體有模具處理（需清理模具及周邊和涂脫模劑，然后打蠟）、殼體鋪層、殼體注膠（升溫，鋪脫模布，鋪導流網，最后粘接膠帶）、殼體固化（需要升溫、保溫、自然降溫3 個小步驟）、客體清理（清理殼上雜物及其輔助材料）、合模、補強、葉片表面處理。

4.3 齒輪和葉輪3D 打印制造方法

設計齒輪和葉輪的三維模型，并將其轉化為SLT格式；導入Cura 切片軟件，切片處理后，保存為打印機能夠識別的Gcode 文件；將文件導入3D 打印機中，進行打印，等待打印完成；對齒輪進行拆支撐等一些后處理，得到產品原型。

4.4 葉輪產品成型過程

葉輪需要使用三維建模技術在UG 或者PROE 軟件中進行產品的設計建模，其模型最終效果圖1 所示。然后再將文件導出為STL 文件，注意是導出STL 文件而不是另存.prt 格式，然后將保存的STL 文件用相應的3D 打印軟件打開，這里選用的是UPstudio 軟件打開。

圖1 模型最終效果圖

進入此軟件時，直接點擊添加，尋找需要打印的文件。然后自主選擇各個符合情況的參數，如圖2 所示，包括層厚（每一層的打印厚度）的選擇、填充物（一般來說選擇的填充物越密，產品的硬度越高）的選擇、補償高度（一般不推薦新手自行調節）的選擇。最后點打印預覽（這個步驟千萬不要省略，它可以直接反映出打印參數是否設置合理），最后等待打印產品制造原型，打印完成后需要對其產品進行后期工藝處理，比如去除輔料、利用銼刀修磨毛刺等，最終達到其加工外形制造及加工精度的要求。

圖2 參數設置

4.5 加工工藝對比

齒輪和葉輪采用傳統加工工藝加工成本較高；對操作的技術人員要求嚴格；工序較多且部分工序要求在真空環境下進行，周期長，生產成本高。采用3D 打印技術能一次性完成產品加工制造，加工工藝簡單，縮短制造周期，減少產生成本，可以獲得良好的經濟性。具體優缺點參考如下。

產品制作簡單，且加工過程中不太需要技術人員人為干預；材料成本相對較低；加工齒輪所用時間短，但精度依然較高。

較于傳統加工，打印的齒輪各項物理性能及強度較差，主要體現在材料上，一個是鑄鐵，一個是粘合材料；打印的質量、耐磨性、堅固性、強度、傳遞效率等會受到打印時所使用的材料、打印機的種類及打印機的工作環境的影響。

5 總結

至今，中國對3D 打印技術的探索已有20 多年的歷史，雖然小有成就，但至今國內還未形成相應的產業鏈，沒有商用化和產業化。

3D 打印技術改變了傳統機械制造的模式，在機械的不同領域都有不同程度的發展，節約了成本，提高了生產效率等，一定程度上推進了機械制造行業的進步，它在機械制造應用方面仍有很多的發展空間。猜想只要未來能夠突破使用更硬的材料進行粘合，3D 打印技術必定會有更大的飛躍。在當前大數字化時代，相信3D 打印技術有更好的發展前景。