基于3D打印技术的机械零件创新自由设计

马丽

摘 要 近年来，3D打印技术获得了飞速发展，其以高效一体化、可制造复杂结构的优点，在考古、医疗、艺术、工业、服装、军事、建筑、航空航天等领域发挥着重要作用，并在全球高端装备制造中占据重要地位。因此，研究基于3D打印技术的机械零件创新自由设计，是未来高端装备制造业向着绿色智能化方向发展的必经之路。

关键词 3D打印技术 机械零件 创新自由设计

中图分类号：TP391 文献标识码：A

0引言

现阶段，3D打印技术在社会上的众多领域获得了较为广泛的应用，并且，3D打印技术逐步趋向成熟。其中，3D打印技术在航空航天、军工业、机械设计制造、汽车行业等领域的应用势头良好，文章就3D打印在机械设计制造行业的应用展开讨论，主要分析了基于3D打印技术的轴套类零件、盘盖类零件、箱体类零件、叉架类零件的创新自由设计。

1 3D打印技术的概念和原理

1.1 3D打印技术的概念

3D打印是增材制造概念的延伸。所谓增材制造（Additive Manufacturing，AM），是相对于车、铣、刨、磨等减材制造，以及铸造、锻压等建材制造工艺而提出的逐渐增加材料而构造实体的一类工艺技术的总称。3D打印是通过三维建模并切片后，利用3D打印机逐层制造出产品的加工制造方法，也叫快速原型技术（Rapid Prototyping，RP）。

1.2 3D打印技术原理

首先由设计者在计算机上设计并绘制出所制零件的三维模型图纸，然后用切片软件按一定的厚度在其制造方向上进行切片处理，得到各层截面的二维轮廓数据，并以这些数据为基础，设备通过成型头选择性地固化一层层液态树脂或者扫描并喷涂一层层粘结剂、热熔材料，也可以通过烧结一层层粉末材料的方式，形成各层截面轮廓，然后将这些轮廓逐层叠加成三维制件。

2基于3D打印技术的机械零件创新自由设计方法

2.1轴套类零件

轴套类零件主体结构为同轴旋转体，包括丝杠、轴、套筒等，轴向尺寸远大于径向尺寸。这类零件的功能是传递扭矩、支撑转动件。轴套类零件传统设计的结构大部分是由不同直径同中心线的数段金属构成阶梯状，轴上根据要实现的不同功能设计出不同的工艺结构，如螺纹、键槽、倒角等等。如轴的设计是根据传递的力、扭矩，确定轴直径，根据零件的定位和装配需求，设计轴肩、退刀槽、砂轮越程槽、键槽等。

在应用3D打印技术创新自由设计轴套类零件时，需要进行功能分析，并以功能分析结果为基础，进行结构设计，设计过程中应尽量减少不必要的功能结构，强化必要的功能结构，例如简化轴肩、键槽、键等装配结构，同时轻量化设计轴内部结构，改变内部实心结构为夹层结构、格栅结构，在满足轴必要刚度、强度性能的前提下减轻自重；轴的必要功能是支撑和旋转，直接根据力与扭矩确定轴的直径，将轴与其支撑和带动的零件设计为一个整体，增强带动性。

2.2盘盖类零件

盘盖类零件是与箱体零件相连接的用来与孔系结构相配合的零件，基本形状多为圆型或方形的扁平盘状结构，轴向尺寸比其径向尺寸小很多，类型包括端盖、法兰盘、透盖和各种轮子等。盘盖类零件传统设计根据所需尺寸和连接方法设置有螺孔、销孔、凸台、凹坑等结构。

3D打印自由设计适用于盘盖类零件，盘盖类零件功能包括传递扭矩、轴向定位、支撑、防尘、密封等，要优化其内部结构和外部结构，提升其功能性和美化性，提升辅助功能，强化主要功能，减少不必要的功能。例如要对端盖实体进行轻量化结构设计，同时去除轴承除拔模斜度的不必要特征，另外，要进一步研究其免裝配设计，简化其装配工序。

2.3箱体类零件

箱体类零件主要包括发动机缸体、减速器箱体、泵体、阀体等，通常情况下，箱体类零件的内、外形都较为复杂，一般由不规则的薄壁空腔结构和其外型上的各个孔系组成，箱体类零件的主要功能有容纳、支撑、定位和密封。箱体类零件的传统设计方法是根据各个零部件的装配结构设计其外形结构和尺寸，根据箱体结构设计其加工工艺路线。

箱体结构在自由设计下必要功能得以更好的完善，不必要功能减少，辅助功能提升。自由设计箱体零件时，首先要对零件进行功能分析，设计箱体结构时在满足必要功能的前提下力求结构最简、性能最优。如：箱体本身也可以变实心结构为夹层结构，减轻自身重量；减速器箱体主要功能有定位、支撑、容纳和密封，将某些焊接结构变为一体设计；另外，可以对3D打印下的箱体进行造型设计，提升产品的美观性，同时提升产品的辅助功能。

2.4叉架类零件

叉架类零件多为不对称结构，形状多种多样，常见的叉架类零件有拔叉、连杆、支架、杠杆、摇臂等等，其功能主要是在变速机构、操纵机构以及支撑结构中拨动、连接和支撑传动零件。传统设计叉架类零件的结构特征有凸台、凹坑、铸锻造圆角、拔模斜度等，有好多特征是为加工的必要性而设置，比如拔模斜度、装夹平面等。

功能分析叉架类零件有拨动、连接和支撑的功能，自由设计叉架类零件可以根据实际强度刚度要求设计零件的结构，无需铸造。简化拔模斜度、装夹平面等不必要特征，在人机分析的基础上设计强化功能的特征。

3结语

3D打印技术应与企业创新结合，实现共同发展。基于3D打印技术的机械零件创新自由设计能够提升设计价值，文章分析的四大类基于3D打印加工制造的机械零件创新设计方法，能够为这四大类机械零件的创新设计提供支持，同时希望能够为相关人员提供思路。

基金项目：课题名称：基于3D打印技术的机械制造专业实训项目开发，课题号：18XJG08。

参考文献

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