3D打印辅助制造技术在农机设计中的应用

张一峰

3D打印辅助制造技术在农机设计中的应用

张一峰

（山西省农业机械化科学研究院，山西太原030031）

通过介绍3D打印辅助制造技术在农机设计中的必要性及其作用，以及《山西省3D打印辅助制造技术实验室》项目研究开发的主要内容和主要功能等，阐述了3D打印辅助制造技术在农机设计中的影响，证实了3D打印辅助制造技术能有效地缩短农机设计的试验次数和试验周期，增加其市场竞争能力，克服了我国农机工业设计能力的薄弱环节。

3D打印；制造技术；设计；应用

0 引言

3D打印，也叫增材制造技术，是一种三维实体快速成型制造新技术，它综合了计算机的图形处理、数字化信息和控制、激光技术、机电技术和材料技术等多项高技术的优势。它的定义好理解，但其实3D打印技术一直在变革，其应用也越来越广泛[1-3]。

一直以来，农机科研开发受季节、时间、环境影响极大，研发一代新产品，通过研制、试验、改进，需要近3年的时间才能完成。由于缺乏样机模具加工生产的试验和受力、性能等方面的测试环节，导致设计周期过长，产品品质、技术性能难以保证，造成人、财、物的极大浪费。

3D打印成型技术，目前成型方式主要包括SLA光固化、SLS选择性激光烧结、SLM选择性激光熔化、DMLS直接金属激光烧结、FDM熔融沉积成型、聚合物喷墨技术、DLP数字光处理等。实验室项目采用的是FDM熔融沉积成型技术。

《山西省3D打印辅助制造技术实验室》是山西省省属科研院所技术开发实验室项目，由山西省农业机械化科学研究院承担完成，3D打印快速成型系统是实验室项目的重要组成部分。

1 3D打印成型技术的必要性及其作用

长期以来，由于农业机械工作对象的复杂性，在科研、开发过程中，有些工装模具形状复杂，如水泵叶轮的模具制造、播种机的排种器和排种箱、开沟器、复杂曲面零部件模具加工等。这种原型的制作非常麻烦，往往需要先开模具，然后再做出样品。而运用3D打印辅助制造技术，无需开模，就可以制造出来，而且也降低了制造成本。比如一些好的设计理念，无论其结构和工艺多么复杂，均可利用3D打印技术，在短时间内制造出来，从而极大地提高了新产品的设计，有效地克服了我国农机工业设计能力薄弱的问题[4-5]。

利用一台3D打印机，可以在数小时内制成产品的实体模型。通过制作产品实体模型已经节省了大量的时间和资金，提高了经济效益。产品实体模型能够在投入生产之前看到，并且在设计过程的早期阶段，可以找出整个设计过程中的设计缺陷，从而进行适当的调整。

针对农机行业新的发展需求，农机制造需要重点推动数字化和信息化技术来提升农机工业的技术水平，提升产品的档次和稳定性，从而推进行业的结构调整和转型升级，促进产、学、研、用结合，提升生产效率，推广各种新型的工艺、材料、设备和技术，促进人才培养和业内交流，解决业内共性问题。

综上所述，项目从市场需求、技术保证、国家政策支持以及环保节能等方面来进行综合评价，完全具备建设的可行性。

2 3D打印辅助制造技术研究开发的主要内容

2.1 主要内容

山西省3D打印辅助制造技术实验室主要是采用FDM熔积成型三维打印技术来完成作业，其基本原理是叠层制造。FDM熔融层积成型技术是目前常用的3D打印技术之一。FDM技术成型工艺干净、易于操作、不产生垃圾，适用于农机行业的单件试制以及模具新产品开发等基于数字成像技术的三维实体模型制造，从而降低了制造成本。

FDM技术是由Stratasys公司所设计与制造，FDM技术利用ABS，Polycarbonate（PC），Polyphenylsulfone（PPSF）以及其他材料。这些热塑性材料受到挤压成为半熔融状态的细丝，由沉积在层层堆栈基础上的方式，从3D CAD资料直接建构原型。该技术通常应用于塑型、装配、功能性测试和概念设计。此外，FDM技术可以应用于打样与快速制造。

该成型设备HTS-400高精度快速成型制作系统（3D打印系统）材料为ABS塑料丝，其强度可以达到注塑ABS成型强度的80%左右。而其他耐热性与抗化学性，也是接近于注塑成型的工件，ABS既具有PC树脂的优良耐热耐候性和耐冲击性能，又具有ABS树脂优良的加工流动性。所以，应用在薄壁及复杂形状制品，能保持其优异的性能。因此，在FDM熔积成型技术制造中得到了广泛的应用。

然而，在基于FDM原理的打印情况中打印一些较大模型时，可能会有即使在打印一开始打印的第1层是可以成功黏在打印平台上的，但是过了一段时间底层就会开始翘边或变形。这种情况是很常见的，也是ABS材料使用的一种弊病。

2.2 系统组成及主要功能

在实验室条件下快速完成以下流程：样机零部件实体设计→输入计算机→3D打印实体成型，取代了原来制作模具中铸塑、铸造、冲压等复杂过程，缩短产品研制周期，极大地促进了新产品的创新设计。

实验室建筑面积需60 m2，实验室由三维实体设计电脑自动控制试验台和3D打印辅助设计技术实验台架2大部分组成，其主要功能如下：

（1）建模。首先通过电脑创建一个三维设计图（通常是SLT或CAD文件），由科研人员通过三维实体设计软件绘制而成，然后再通过软件对该图像进行识别处理而形成三维图。

（2）导出代码文件。把绘制成三维图的模型数据导出STL文件，然后使用专业切片软件把数据模型转换成3D打印机能读取的G代码文件。

将所设计的CAD立体模型数据进行“切片”处理，该成型设备HTS-400高精度快速成型制作系统（3D打印系统）采用成卷的ABS塑料丝作为材料，工作时将ABS塑料丝提供给挤压喷嘴，喷嘴加热融化材料，并在计算机辅助制造软件的控制以及步进电机或伺服电机的驱动下，沿水平方向和垂直方向移动逐层堆积，并迅速硬化。打印完成后，去掉固定在零件或模型外部的支撑材料即可。

传统的制造设备功能较少，制作出的形状种类有限。而3D打印机可以打印许多形状，它可以每次都做出不同形状的物品。省去了制作模具这一步骤，既节约时间又节约成本，所制作出来的实物更加精确。

机器生产出相同的零部件，需要人工来组装完成。产品组成部件越多，组装耗费的时间和成本就越多。而通过3D打印辅助制造技术无需组装，既节省劳动力又节省其他费用。由于3D打印是逐层打印的技术，所以可以完成多轴数控机床都完成不了的复杂成型。在农机工业制造领域，3D打印辅助制造技术一定会有广阔的应用前景。

2.3 主要生产（作业）工艺流程

3D打印生产过程见图1。

图1 3D打印生产过程

2.4 主要参数

成型件尺寸：360 mm×320 mm×400 mm；

成型件精度：±0.2/100 mm；

加工速度：20~65 cm3/h；

文件输入格式：STL格式；

电源：220 V，50 Hz，最大电流6 A；

成型材料：ABS塑料丝。

《山西省3D打印辅助制造技术实验室》项目的建成，实现了由主要在田间试验完成改为田间与室内相结合完成的农机设计思路，必将缩短试验周期，从而提高科技成果的理论水平。同时，促进农机行业与其他实验室开展广泛的交流，使山西省农机制造研究水平整体迈向一个新台阶。

3 结语

针对形状复杂不同的零部件进行三维实体设计并进行打印，从试验的结果分析情况来看，3D打印辅助制造技术性能稳定、效果良好，达到了设计任务书全部要求。

如果说前2年是传统制造业的寒冬，那么现在就是制造业逐渐明媚的春天，唯有最高效的把握时代发展机遇，从制造走向“智”造，传统制造业方能真正走出寒冬的思维禁锢，如今3D打印技术日趋成熟，希望制造业能借“东风”，开创全新的制造时代。

山西省3D打印辅助制造技术实验室的建成，大大加强了山西省农机科研的基础设施，进一步完善了设计和研究手段，有效稳定了科研技术队伍，提高了研究水平、学术水平和成果品质。实验室从单纯为科研服务逐步向科研、开发和技术服务协调发展方向转变，该实验室的建成必将成为山西省农机科研生产企业、农机专家学者开展研究工作的重要场所。

[1]刘海涛.光固化三维打印成型材料的研究与应用[D].武汉：华中科技大学，2009.

[2]张宇，汪礼俊.3D打印引爆智能制造升级[J].上海信息化，2014（6）：20-24.

[3]梁霄.结合数字技术的雕塑艺术创作方法研究[D].西安：西安建筑科技大学，2014.

[4]张一峰.国内外播种机的发展现状与发展趋势分析[J].当代农机，2015（5）：79-80.

[5]张金凤.带分流叶片离心泵全流场数值预报和设计方法研究[D].镇江：江苏大学，2007.◇

Application of 3D Printing Aided Manufacturing Technology in Agricultural Machinery Design

ZHANG Yifeng
（Shanxi Academy of AgriculturalMechanization，Taiyuan，Shanxi030031，China）

The necessity of thismanufacturing technology 3D printing auxiliary in agriculturalmachinery design，and themain contentof research and development laboratory and itsmain function，elaborated themanufacturing technology of 3D printing auxiliary in the role of agriculturalmachinery design.The results show that the 3D printing aided manufacturing technology can effectively reduce the number of test and test cycle，increase its market competitiveness，and overcome the weakness of China's agriculturalmachinery industry design capacity.

3D printing；manufacturing technology；design；application

TP334

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.04.022

1671-9646（2017）04a-0069-02

2017-02-15

山西省3D打印辅助制造技术实验室项目（晋财教[2013]72号）。

张一峰（1963—），男，本科，高级工程师，研究方向为农业机械、畜牧机械。