3D打印技术在机械制造中的应用研究

3D打印技术在机械制造中的应用研究

1闫佳佳 ,1刘永峰 ,1牛帅帅 ,2马爽,2王永强 

1山西航天清华装备有限责任公司  山西长治046000  2火箭军装备部驻长治地区军事代表室 山西长治 046000

摘 要：以数字化模型为基础，运用可粘合材料通过逐层打印的方式构造物体特征的技术方式称为3D打印技术，又称为“增材制造”。该技术近年来广泛应用于航空、航天、模具等领域。随着3D打印技术的快速发展，很多制造企业为缩短产品的研制周期，提高研制效率，也逐渐在某些金属零部件上推行3D打印技术的应用并取得了重大突破。本文重点讲述了3D打印技术的优势，为其他航天制造企业研究3D打印技术提供了参考价值。

关键词：3D打印；数字建模；增材技术；齿轮

1. 3D打印技术

    与传统的机械加工制造作业相比，3D打印技术具有很大的不同。传统制造作业中，作业人员会通过改变生产对象的形态以及质量等来制造出产品实物，会运用到各种复杂的作业工艺，例如车、铣、抛光、锻造、磨等，若是复杂零部件的制造，作业人员还需要进行一系列复杂工艺环节，并且各环节的顺序不能改变，只能按照设定的工艺流程来进行生产作业，需要运用各类高级的作业设备。若利用3D打印技术进行作业，作业人员只需要依据实物的数字化模型，在计算机上设定好相应的程序，3D打印设备就能够自动加工出对应的实物，不需要再进行任何工艺加工。利用该技术进行作业，不仅可以提升产品的质量以及精度，还可以有效缩短生产周期，降低生产成本。对于传统工艺不能加工或加工有困难的零部件，可以考虑选用3D打印技术。近年来，3D打印技术被广泛应用于各行各业中，比如在医疗领域，可以利用该技术为截肢的患者制作出配套的义肢等等; 在航空航天领域，可打印叶轮、光学镜片支架等等; 在设备维修和保养方面，可利用3D打印技术修复机床零件破损部分，实现机床零件的持续应用。

    3D打印技术的原理和传统的打印原理是类似的，区别在于，传统的打印技术制造出的是平面图形，而3D打印技术制造出的是立体图形；传统的打印机只能在纸上进行绘图，而3D打印技术可以在金属、塑料等各种介质中进行作业，只需要基于实物的数字化模型在计算机上设置好相应的程序，就能够打印出相同比例的物体。

2. 3D打印技术在航空零件制造中的应用优势

在航空机械零件生产作业中，最典型的就是齿轮和叶轮的加工，这两种零件属于复杂零件，不仅造价昂贵、废品率高，也存在很多加工难点，若是采用传统工艺进行加工，不仅需要较长的生产周期，还需要利用复杂的加工工艺流程，且对产品的精度、质量、重量等方面都提出了更高的要求，若是利用3D打印技术进行制造，就可以快速完成该产品的模型制造，有效缩短作业周期。

2.1齿轮传统工艺

    利用传统工艺进行齿轮加工时，第一步需要铸造制坯。工作人员通常会利用热模锻造的方法来锻造毛坯。第二步需要正火，需要获得后续齿轮切削加工的硬度，减少热处理的变形，避免出现缺陷。第三步利用数控车床进行加工，进一步保证齿轮端面以及内孔的垂直度要求，提升齿轮的作业精准度。第四步需要利用齿刀或滚齿刀对其进行加工。第五步需要让剃齿刀与被切齿轮在齿轮上面紧密契合，进行自由展开运动。最后一步需要对其进行毛刺检查，提升齿轮的使用寿命。

2.2叶轮传统工艺

    利用传统工艺进行叶轮的制造作业需要利用模具进行处理。作业人员首先要对模具进行清理，并对其涂抹脱模剂，便于后期脱模，之后进行壳体铺层和壳体注胶，在完成壳体固化之后进行客体处理，最终实现核膜和补强，对叶片进行表面处理。

2.3 3D打印技术在齿轮和叶轮上的应用

    从以上传统工艺可看出制造方式的复杂性，若是利用3D打造技术进行齿轮和叶轮的制造作业时，作业人员只需要在计算机上输入叶轮和齿轮的三维模型，然后将模型转化为slt格式，工作人员需要在计算机中导入cura切片软件，在完成切片处理之后，将其保存为gcode文件。最后将该文件导入到3D打印机中，即可实现打印处理。工作人员只需要在对齿轮进行一些拆支撑等处理之后，就可以得到该产品的原型。

图1.模具最终效果图

2.4两种制造方式的优缺点

    若是使用传统的加工工艺生产齿轮和叶轮，需要投入较高的成本，并且对操作人员有较高的技术要求。在实际作业过程中，需要完成复杂的工序，每个工序都需要在真空的环境下进行，整个作业周期较长，投入的生产成本较高。若是使用3D打印技术，作业人员可以一次性完成加工制造作业，使用的工艺较为简单，生产周期较短，大大节约了生产成本，提升生产单位的经济收益。并且在实际生产过程当中并不需要作业人员的过度干预，制造作业较为简单；要投入的材料成本较低，精准度可以得到有效保障。但是3D打印技术与传统加工作业相比，生产出齿轮的物理强度会弱一些，打印作业的质量以及强度会受到使用材料以及打印机类型的影响。
结束语：

    总而言之，3D打印技术在我国已经有了20余年的应用历史，该技术在我国虽然有小小的技术成就，但是当前并未形成商业化以及产业化的生产力，3D打印技术作为一项革命性的制造技术，对于未来生产制造技术的发展具有巨大的影响力，我们应不断深入探究和发展3D打印技术，使其不断成熟，更好的服务于我国的制造业。

参考文献：

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[3]王利,黎志勇.3D打印技术在机械产品数字化设计与制造中的应用[J].内燃机与配件,2018(20):215-216.DOI:10.19475/j.cnki.issn1674-957x.2018.20.105.