3D打印技术在机械制造领域中的应用*

2021-07-14邢恒远孟宪庄

机电工程技术 2021年4期

邢恒远，孟宪庄，陈娜

（1.江苏联合职业技术学院徐州技师分院机械工程学院，江苏徐州 221000；2.中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116）

0 引言

近几年，在“中国制造2025”的大环境下[1]，中国机械制造领域的实体企业逐年增加，竞争日趋激烈，如何提高机械制造企业的生产效率、降低企业的生产成本，以及如何生产更有利于环保等实际问题亟待解决。在这样的背景下，3D打印技术给机械制造生产方式带来新的参考[2]。

3D打印技术是一种新兴的铸造技术，发展势头迅猛。其以数字模型为基础，将材料逐层叠加制造成物体[3－4]。因其具有效率快、精度高、成本低、环保强等优点，在医学医疗、航空航天、建筑装饰、等领域中得到了广泛应用[5]，且发展十分迅速，并日趋成熟。但是在机械制造和实际应用领域中，该技术的研究成果还不够丰富。在汽车、航空宇航方面，3D打印技术可以使得零件加工轻量化，部分功能件免装配，并且能保持良好的力学性能和强度要求，如图1所示。针对上述几点问题，本文旨在通过系统性地梳理3D打印技术的基本概念和原理，来获取3D打印快速成型的基本过程和技术路线。以3D打印技术在实际过程中的应用为例，最终分析并揭示出3D打印技术在机械制造领域中的应用优越性。同时，提出一种设计理念，为3D打印技术在机械制造领域中拓展新局面，打下良好的基础并形成理论体系。

图1 机械零部件的3D打印产品

1 3D打印技术基本概念和原理

3D打印技术是一种快速成型技术，是一种不需要使用模具的加工方式，这种方式也可以称之为增材制造[6]。和传统制造加工方式相比，3D打印技术有诸多优势，其最为显著的优点就是更加节约原材料，降低生产加工的成本[7]。以数字模型作为基础，运用金属或者非金属材料，通过特定的设备逐层打印的方式来构造物体。3D打印技术采用分层加工、叠加成型，将数字模型转换成3D打印设备能够识别的文件格式，分层切片，得到每片的数字模型，按小片模型一层层加工，逐层增加材料来生成3D实物。除此之外，其能够以零件的功能为主要目的进行设计，不需要考虑刀具及工艺，做到自由设计与制造。由于3D打印技术是一次性成型，所以零件加工周期大大减少[8－9]。

3D打印技术原本应用于模具制造、工业设计等领域，不同的3D打印机的工作原理不完全一样，研发设备和使用过程也不尽相同。世界上第一台3D打印机采用的是光固化立体成型原理，打印的产品尺寸精度可以细密到0.025 mm。特殊树脂在紫外线照射下，可以快速固化，通过逐层照射固化，便可以得到表面细腻精度较高的打印产品。该打印方式适合制作中小型塑料产品，或者金属喷涂等工况。

3D打印的实现要从建立数字模型开始，建立数字模型除了运用软件设计以外，还可以扫描成型，也就是逆求工程。3D打印技术使用了离散和堆积的思路，其过程如图2所示，首先用CAD（Computer Aided Design）软件进行数字模型的建模，常见的CAD设计软件主要有Au⁃toCAD、Catia、UG、Solidworks、Pro/E等；接着对所建立的数字模型进行切片，也就是把数字模型微分得到每个轮廓面的形状；然后将数字模型导出3D打印机可以识别的电子文件格式，并导入3D打印机；最后，使用3D打印技术对零部件逐层打印，也就是完成积分的动作，从而实现从虚拟到现实的过程[10]。在整个虚拟到现实的实现过程中，成型技术方法较多，针对不同材料和不同生产要求可以选择不同成型原理，这就是在汽车生产和维修领域使用3D打印技术要研究的内容。

图2 3D打印机快速成型的基本过程

2 3D打印技术在汽车领域中的应用

以汽车生产为例，通常来说，3D打印技术较适合运用于生产批量产品。一般零件的设计不仅仅需要考虑设计参数本身，还需要考虑其加工工艺或者实际装配过程中的问题，这样就会导致设计过程中含有与制造有关但与零件功能实现无关的剩余物，这会使得整体产品的质量相对笨重，很难进一步降低汽车重量。而如果使用3D打印技术，原材料只需要实现零件功能即可，打印出来的零件自然可以精简，且制造精度也非常细密，基本可以满足一般生产加工的实际需求。随着3D打印设备的改进和完善，精密度还可以进一步提高。在汽车制造加工领域中，一旦3D打印技术大量使用，将会大大缩短从概念汽车到实际量产的时间周期。

以某品牌模型号的汽车轮毂3D成型为例，具体步骤如下。

（1）数字化建模。一般工业设计和制造方法主要有实体建模和曲面建模两种。实体建模适用于规则形状的零部件，曲面建模适合复杂、精细的不规则形状。该案例采用的是Pro/E绘图软件，对某品牌某型号汽车轮毂进行3D造型绘制，其三维设计渲染图如图3所示。

图3 汽车轮毂的三维设计渲染图

（2）切片处理。所谓切片就是数字模型沿着某一个轴方向离散为一系列的二维层面，从而得到每个二维平面的信息，使得3D打印机能够打印出每个薄层。数据处理切片是快速成型技术最重要的过程，数据分层的质量将直接影响产品打印的质量。将绘制好的模型转换成Stl文件格式，如图4所示，然后使用计算机控制软件对模型进行切片。切片软件主要有Cura、Rapid Tool等，可对3D模型文件进行切片处理，CAD图形文件经过切片处理就能得到可以被3D打印设备识别的控制文件。主要使用的算法是基于集合拓扑信息提取的分层算法，因为这种算法效率最高。切片完成后，即可导出3D打印机能够识别的文件，将该文件导入3D打印机中，即可读取文件，并进行逐层打印。

图4 转换成Stl格式文件

（3）产品打印。在3D打印技术环节中，打印成型环节是最重要的。成型技术的优劣直接决定打印的产品质量。目前，常用的成型技术主要有熔融沉积成型、三维打印黏结成型、选择性激光烧结技术、直接金属粉末激光烧结技术等。这里选用的打印设备是采用的直接金属粉末激光烧结技术，设备型号的选择是国内某主流品牌BLT系列3D打印机。其中，要对激光器进行选择、对打印工艺参数进行调试，如光斑直径、激光功率、扫描速度、扫描间距、分层致密度、预热温度等参数，实验材料就是铝合金。设备主要相关参数参考值如表1所示。

表1 3D打印机BLT系列主要相关参数

通过案例的应用，可以归纳出一种机械零部件的设计理念——自由设计理念，即零件设计过程中，不需要考虑零部件装配、加工、工艺等过程，而是直接在3D打印机中一次成型。主要设计方法的流程：首先进行功能分析，即分析产品实现的全部功能和子功能以及其结构特征；其次约束分析，即设计产品时要考虑设计收到哪些约束，包括加工设备的约束条件；最后是结构设计，即力求结构最简、功能最佳、成本最低、外观最美，并且性能优良，性价比高，同时满足机械零部件的力学性能和强度要求。