探讨3D打印应用于有色金属设备制造领域

李继明

（甘肃能源化工职业学院，甘肃 兰州 730207）

2016年4月6日国务院总理李克强主持召开国务院常务会议，会议通过了《装备制造业标准化和质量提升规划》，要求对接《中国制造2025》，内容中提出了坚持“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的基本方针，坚持“市场主导、政府引导，立足当前、着眼长远，整体推进、重点突破，自主发展、开放合作”的基本原则，通过“三步走”实现制造强国的战略目标：第一步，到2025年迈入制造强国行列；第二步，到2035年中国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平；第三步，到新中国成立一百年时，综合实力进入世界制造强国前列[1]。将增材制造列为制造业创新中心重点的建设工程。3D打印是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料、树脂等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。我们可以充分利用3D打印技术的突出优点，促进其在有色金属设备制造领域的应用。

1 3D打印的发展进程及其应用领域

3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。从2001年起，我国开始重点发展以钛合金结构件激光快速成型技术为主的激光3D打印技术。例如：歼-15广泛使用了3D打印技术制造钛合金主承力部分；C919大飞机的中央翼根肋也使用了3D打印技术。我国成为世界上继美国之后第二个掌握飞机钛合金结构件激光快速成型技术的国家。目前，3D打印技术已在工业造型、机械制造、航空航天、建筑、家电、轻工、医学、文化艺术、雕刻、首饰、食品等领域都得到了广泛应用。并且随着这一技术本身的发展，其应用领域将不断拓展[2]。

2 3D打印技术特点

①高度柔性：适应性非常强；特别适合个性化和单件、小批复杂结构零件生产；②CAD模型直接驱动：是一个自动化的成形过程；③设计、制造一体化：使CAD、CAM、CAPP很顺利的结合在一起，实现了数据信息设计过程和零件成形过程的一体化；④快速制造：零件制造从CAD设计到零件加工完毕，只需要几小时到几十小时，甚至几十分钟即可实现，可大大缩短新产品开发周期；⑤制造成形自由化：不受任何专用工具和模具的限制，也不受零件复杂程度的限制就可自由成形；⑥技术的高度集成性：是CAD/CAM技术、计算机技术、数控技术、激光技术、新材料技术和机械加工等多学科技术的高度集成；⑦材料使用比较广泛：金属、纸张、树脂、塑料、石蜡、陶瓷、水泥、石膏、型砂、食品、细胞等多种材料在快速原型制造领域已有很好的应用。

3 3D打印技术与常规制造技术的关系

①是一种增量（或者叫增材)制造技术；②是对传统常规制造技术的有益补充，不能替代常规制造业；③是实现直接制造、桌边制造和批量定制的新型制造方式；④D打印为传统制造业注入了活力，“超越了”传统制造业；⑤目前存在的瓶颈：零件制造精度还有待进一步提高、零件制造成本有待进一步降低、材料种类有待进一步开发。

4 3D打印技术在有色金属装备制造中的应用分析

（1）提供新的设计思路。我们都知道，传统的有色金属装备，设计周期都很长，短则数月，长则好几年。而利用3D打印技术可以实现快速制造：零件制造从CAD设计到零件加工完毕，可大大缩短新产品开发周期。这样的话，我们可以把更多的精力用在生产和企业的效益上面，提高了整体的综合效率。从想象到现实，3D打印正在以“只有我们想不到没有它做不到”的速度颠覆我们传统的生活和生产模式。通过软件的设计图纸是3D打印的大脑。正像纸笔手绘是工匠在制造手工作品过程中的灵魂，设计文件指导3D打印机如何打印。设计软件和3D打印技术的共同飞跃改变了人们设计与制造物体的方式，它们的结合使一切皆有可能。

（2）可以解决常规方法不能加工的结构。例如，偏钨酸铵主要用于石油裂化、环保等领域。近些年，由于雾霾治理等环保产业的快速发展，原料供应厂家发生了变化，以及客户对质量提出了新要求，使其生产设备生产线遇到了两个较大的难题。第一个是新的干燥设备在调试期间，产品质量很不稳定。第二个是主要原料的杂质成分复杂多变，每一批次的生产工艺都需要进行一些微调。采用3D打印技术可以加工成一种热风循环干燥箱，代替原有的烘箱，减轻了劳动强度，提高产品质量。此外，在因高耗能而被称为“电老虎”的电解铝行业，河南中孚实业股份有限公司利用3D打印技术调试，解决了长期困扰电解铝生产的世界性难题——铝电解系列不停电停开槽技术，这些都是常规加工方法不能够做到的。

（3）缩减有色金属设备制造成本。3D打印特别适合个性化和单件、小批复杂结构零件生产。这时候我们可以选择合理的材料满足设备的性能，采用3D打印技术。此外，我们可以针对3D打印的设计，减少返工成本。在使用3D打印技术时，设计思路和注意事项与使用传统制造技术时的设计不同。最后，对于工业级的3D打印，仿真可以说必不可少，不仅帮助减少失败，还可以提高零件质量，而且有助于缩短有色金属设备制造商的学习曲线。

5 结语

3D打印并不是万能的，面临的问题主要有材料和机器的限制、知识产权的忧虑、道德的挑战等等。首先，虽然高端工业印刷可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印，但无法实现打印的材料都是比较昂贵和稀缺的。其次，3D打印技术在重建物体的几何形状和机能上已经获得了一定的水平，几乎任何静态的形状都可以被打印出来，但是有色金属设备大多复杂而且对运动性能要求过高，因此还是需要实验调整材料配方和制作流程才能使其稳定。这些都需要我们经过多方面考虑和验证来共同提高3D打印技术在有色金属装备制造中的广泛应用。