3D打印技术优化发动机设计

秦波

摘 要：3D打印技术指的是利用物理层的持续叠加，通过逐步有序地进行材料增加以实现生成三维实体目的的技术，因为不同于固有的去除材料的加工技术，故3D打印技术又被称为增材制造或添加制造。增材制造指的是按照三维CAD数据将现有材料组合并完成制作物体的过程，与建材制造相比，它是一种将材料不断累积叠加的过程。它的基础原理是通过对产品CAD数模，通过快速成型机工作在X-Y平面上以扫描的形式产生工件截面的形状，继而通过在Z坐标间歇地做层面厚度的位移变化，最终形成三维制件。可以按照工艺和成型原理将3D打印技术划分为多个种类，已形成了4重比较主流的方法，即：SLS选区激光烧结、SLA激光立体固话、LOM叠层实体制造法以及FDM熔融层次成型技术。

关键词：3D打印技术;积累叠加;三维制件

0 引言

3D打印技术又叫添加制造，是增材制造技术的通俗说法，与传统的去除材料加工技术不同的是，它的文件基础以数字模型来充当的，通过粘合性较强的材料例如粉末状金属物等，采取堆叠的方式对已设计好的模型进行三维实体的生成。1979年，3D打印的最初概念雏形被提出，在当时这种技术被称之为“快速原型。”1986年美国的查尔斯·赫尔为“立体光刻”技术申请了专利并申请成功，这种技术主要是采用紫外线照射的方式来使树脂材料凝固，以达到制作物体的目的，此技术概念于1984年被提出。而3D打印技術是于1993年被提出，当时是由麻省理工学院的数名技术专家共同发明并向专利局申请专利。从该技术雏形成型并成功申请专利后，项目专家们对项目进行不断地开发研究，3D打印技术成长迅速，能够使用的材料和制作的产品范围不断扩大，3D打印技术已经不仅限于塑料金属等产品，也可以对零部件、有机材料等进行生产。经过一段时间的发展，3D打印技术已经步入快速发展状态，其市场发展空间仍旧广阔。

1 当前主要问题

1.1 当前3D打印技术发展尚不成熟

我们不得不承认，尽管经历了一段时间的发展，3D打印技术有所进步，但在市场以及技术方面该技术仍然并不成熟。在新工业革命与增材制造国际研讨会上，杨拴昌曾明确指出了3D打印技术现今仍存在并且至关重要的待解决问题，其中之一便是需要对生产过程中使用的设计工具进行优化升级。该项技术需要大范围使用计算机辅助设计工具。在进行部件的制作时，也需要更好的使用工具来使材料性能和其形状得到进一步优化，以达到控制材料使用量以及降低产品重量的目的。在产品设计的过程中，研发出操作更简便的使用工具对该技术的非专业性人员也十分有必要。

1.2 可用材料需要持续拓宽

3D打印技术目前最常见的使用材料就是树脂，这也间接的表现出该技术现在的可用材料稀少，但经研究人员的努力，正在逐步向陶瓷、金属、金银等原材料的使用进步。并且在将来还需要将更多的材料投入使用，并且更深入地进行使用材料的研究，进一步分析加工-结构-属性之间的关系，熟知每一种材料的特性，便于更好地利用材料，为材料的使用提供标准和范围。

1.3 生产过程需要加强工艺控制

在该技术的发展和使用过程中，需要给装备树立明确的认证标准，这能够有效地提高该技术生产过程中的连贯性、统一性和重复性。除此之外，还需要在进行打印生产的过程中对内部进行不间断的监控并进行反馈，例如可通过传感器来评估并检测存在的漏洞或缺陷，只有进行良好的监控，才能使设备工作过程中出现故障的可能性降到最低。为达到更好地监测并了解材料的性能和零部件功能特点，需要形成预测模型，令设计师和用户都能对零件的基础功能性能有一定的了解，并且通过调整设计的方式来实现预计成果。

2 制造过程中3D打印技术的应用

2.1 三维的印刷技术

3D打印机于90年代中期被成功研发，3D打印机遵从的工作原理是传统打印机的原理，主要被应用于将打印机和计算机后对原料进行层层叠加，这项技术使用的是激光注射器等，后来，3D打印技术也被称之为无模控制技术，在工作生产时需要使用粘合剂，使用喷嘴工具将需要进行粘合的区域进行粘合工作，用来粘合材料的是材料粉末，通过层层的粘合、铺粉等工作完成一项任务的3D打印。

2.2 粉末材料在选择性的激光烧结技术

选择粉末材料来进行激光烧结步骤最主要的就是在已筹备好的粉末上面进行刮平工作，将已经初步完成的零部件的表层进行此项工作，在此基础上还需要对零件的截面进行扫描工作，此项工作使用的是二氧化碳激光器作为工具，在激光高强度的照射下，很容便可以将材料烧结在一起，也因着这样的原理，二氧化碳激光器才能够将零部件的截面完整地扫描，金属等材料是进行烧结的主要材料。此外，一些烧结材料产生的烧结薄膜或磨砂也有着其他使用价值。

2.3 立体光固化的相关成型技术

目前世界上各研究人员主要针对立体光固化方面进行对3D打印技术的研究，并且取得了良好的研究成果，相对来说对它的研究较为成熟，在此技术领域内此项技术的适用范围更为广泛。该技术同样采用计算机控制的方式，对一些液态的光敏树脂进行扫描工作，达到凝固材料的效果，同样是在经过层层叠加后达到3D打印成型的效果。在进行该技术的相关开发过程中可以运用其他相关材料来进行对传统3D打印技术材料的替换。

3 结语

本篇主要对3D打印技术在发动机零部件的铸造过程中的运用和与该技术有关的使用探究工作。本文首先对铸造行业中运用的3D技术，在三维的印刷技术、粉末材料选择性的激光烧结技术、立体光固化成型技术等几个方面进行了深入探讨，其次介绍了3D打印技术在钢铁铸件生产时的相关运用，最后分析了3D打印技术的多种成型技术，对相关技术进行总结研究，分析其在汽车零部件制造业的优势。通过多方面的研究，对方法加以试验总结，希望相关技术人员可以对该项目进行进一步研究实验，在大程度上减少在3D打印技术进行生产过程中会出现的问题，减少零部件生产过程中产生的误差。本文多次提到的3D打印技术在零部件生产时的应用，间接地说明了汽车3D打印技术的成熟有助于推动我国的技术更进一步发展，对3D打印技术进行适当地投资发展，为我国的模具制造和汽车零部件生产做出更大的贡献，以实现将3D打印技术更好地应用到汽车零部件的生产中。

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