3D打印技术的机械零件设计研究

熊祥斌

(三明技师学院 福建三明 366000)

随着我国近年来工业的不断转型与提质增效的提出，工业制造不再依赖传统的方式进行，而是大力引进先进的技术，促使相应的技术与工艺进行转型。3D打印技术越来越表现出了突出的机械设计优势[1-2]，国家在增材制造方面对3D 打印技术给予了高度的评价。《国家增材制造产业发展推进计划（2017—2020年）》指出，要将3D打印技术视为我国制造业生产过程中的一项重要技术，要加大政府的财政投入与研究力度，为3D打印技术提供更为健康的发展环境，同时还设立了积极的推进方案。同样在《中国制造 2025》也对3D打印技术给予厚望，强调智能机械产品的设计离不开3D打印技术，要加强这类技术对智能装备的研发与量产。由此可见，3D打印技术会成为未来机械零件设计与制造乃至工业发展的优势技术，我国应该积极地创造产业集聚园地，推动3D 打印技术的机械零件制造应用，以增强产业的转型与升级。

1 3D打印技术及其优势

1.1 3D打印技术内涵

3D 打印技术是指以数字规模作为基础，应用塑料、金属等相关的粘合材料，通过网络逐步设计的方式来完善产品技术结构的一种技术[3]。设计者通过软件来进行相应机械零件的三维模型设计，然后通过切片处理满足设计制造上的数据控制，同时通过设备成型喷涂制造出所需要的三维产品。3D 打印技术往往与数字工业、信息技术、材料技术等融合在一起，也是当前“工业4.0”发展所必须的技术之一[4]。由此可见，3D打印技术能够实现我国机械制造的自动化与智能化，对我国机械零件乃至工业实现技术转型具有较强的现实意义。

1.2 3D打印技术的优势

3D 打印技术相比于传统的加工制造具有较多的优势性。首先，3D 打印技术无需模具，也不需要刀切以及运用夹具来形成模型，这无形中缩短了机械零件制造的时间，降低了模型成型的这一周期过程。因此，相对于传统工艺来说，真正做到了想象与现实的融合，能够在以零原件的基础上实施有效的设计。其次，使设计者实现了复杂结构的轮廓呈现，在现实设计中由于结构材料的复杂性导致设计层面困难重重，再加上材料获取难度较高，促使更多工艺结构复杂的产品处于一个理论阶段，3D 打印技术则降低了这样的问题，通过在电脑上呈现不同轮廓的层层叠加，提现出了复杂轮廓的层次性与结构性，增强了产品设计的可能性以及打印塑造的可能性。最后，简化了工艺流程。传统的机械制造工艺需要通过焊接、栓接等对各零部件进行装配。3D 打印技术则能够在软件的运行下实现一次性成型，简化了诸多环节的装配过程，这也是该技术所带来的经济效益[5]。

2 3D打印技术在机械零件设计中的应用现状

2.1 技术运用表现出显著性成绩

与其他的技术相比较，3D打印技术也表现出了典型的技术特征，在安全性、精度设计、打印速度等方面都有其优势。相关的研究资料显示，3D打印技术在其传统设计过程中成本往往是一般技术设计的1/10 左右，各大公司对于技术的应用显出了较强的积极性[6]。由此可见，这一技术的应用成就显著。

2.1.1 增强了产品的制造率

传统的机械制造在设计完成之后，必须要经过诸多的工序来进行，成品制造工序较为复杂，而且一些结构复杂的小型产品成品率相对低，限制了这类产品的大量生产。而将3D技术运用到这类产品的制造中，不仅可以提升产品的制造率，而且还能够加强复杂结构零件的精细化设计。

2.1.2 可以保证成品的高质量水平

3D打印技术能够做到对产品的精准设计，且还能够把握产品的材料特征，促使各机械零件金属部件达到更高的硬度与强度，满足技术工艺的刚性与柔韧性，这是传统工艺水平所不能完全保证的。因此，这也是3D打印技术广泛应用到机械零件设计的优势所在。

2.2 不同机械零件中的设计运用

机械零件包含多个类型，该文通过形状将其分为轴套类、箱体类、盘盖类和叉架类四大类，分别进行零件的设计应用探讨。

2.2.1 轴套类

轴套类零件最主要的特征在于以同轴旋转为主要的结构，而这一结构对轴的横向与纵向尺寸要求精度较高。传统的方式设计这类零件需要通过削切等环节来保证产品的形状与尺寸的合格性，随着市场的需求量增大，无法做到大批量生产，而3D 技术则能够满足这一要求，不仅能够达到对单个零件的技术标准要求，而且能够实现批量化制作。在批量化制作的过程中3D打印技术就凸显其优势，在软件设计中明确其结构特征，有效设计内部夹层结构，从而增强了产品设计的精密性。

2.2.2 箱体类

箱体类零件主要特征是结构较为复杂，应用性广泛，对于产品的密封性要求较高。传统工艺设计会加强对箱体类零件的铸造要求，批量生产也会注重产品质量的材质以及不同模具的精度。如果出现精度失误，那么产品就会成为次品，达不到箱体内机械零件产品的合格要求。3D打印技术设计体现零件结构特征，而且也能够简化工序，提升成品的合格率，不仅节约了生产时间，而且降低了材料成本。

2.2.3 盘盖类

盘盖类零件主要是对各类箱体实现有效的连接，产品的特征为扁平状或者圆形，这类零件起到固定作用。3D 打印技术的应用可以增强这类产品的设计美观特征，还可以通过对内部结构的有效规划，完善其实用性的同时，增强其美观性，与传统工艺相比，降低了产品尺寸的差异性。

2.2.4 叉架类

叉架类零件样式丰富多样，往往产品不对称，这类产品主要用于对零件的连接，但这类产品对精准度要求较高，往往对一些孔、叉有较高的要求，传统的工艺很难达到成品各个都合格，容易出现变形的产品，且由于产品的不对称性，导致夹具或模具使用较多。在这样的过程中，不利于大量、短时生产。借助3D 打印技术能够降低这类问题，提升叉架类产品的生产速度，降低模具产生的误差，提升产品的精准度。

3 3D打印技术运用存在的主要问题

随着3D技术的不断应用，当前在机械零件设计中取得了较大的成绩，但是还没有将这一技术运用到整体的机械制造产业当中，这一过程凸显出了技术应用还存在诸多问题。

3.1 部分企业的接受理念不强，推广力度受限

3D 打印技术虽然在机械零件设计过程中具有优势性，但是当前的部分企业对此的接受理念并不强，也导致了这类技术的推广力度受到较大的限制。有资料调查发现，这类技术目前应用于一些大型的机械制造企业，其领导比较重视技术运用，而对于小型的机械制造企业，企业领导并不重视这一技术的使用。由于3D技术推广还处于一个初级阶段，较多的企业持有观望态度，还没有看到技术的成熟使用过程，认为这类技术虽然具有较高的优势，但并不能完全替代传统机械零件制造[6]。其原因在于技术的引进不仅需要购买机器，而且还需要软件技术人才，对于小型企业而言都是增加成本的一种方式，不利于经济效益的提升。

3.2 技术运用不足，量产仍旧需要时间

虽然3D打印技术表现出了较高的技术优势，但就其机械零件设计中仍旧没有得到广泛的应用。就技术而言，3D 打印技术的技术难度并不是很大，但是也要做到与相应的机械设计材料以及结构的融合，这样的融合发展需要时间的积累，相应的机械制造企业由于缺乏技术性人才，也导致了3D技术开发与研发力度不足。诸多企业负责人指出3D 打印技术就目前的技术应用而言，表现为量产速度远远达不到市场需求，说明了这一技术的应用不足[6]。为了增强机械零件的技术应用，需要政府加强关注，鼓励企业加大技术应用力度，才能在机械零件设计过程中逐步渗透技术，增强技术应用的速度，提升量产的可能性。

3.3 机器成本较高，企业购买的积极性受挫

3D 打印技术依托3D 打印机来实现，就目前的市场来看，这类机器的价格并不低。如果机械制造相应的企业对于打印机的需求量不高，用于少量的机械零部件生产，能够降低相应的技术成本，但就其大规模应用来看，机器的购物置成本并不低。再加上企业对3D打印机技术的了解不全面，使许多的企业并不愿意购买这类机器。这显示出3D 打印机技术应用于机械零件设计中还处于初级阶段，相应企业的人员对于这类技术的研究并不深入。就对机械产品制造负责人的调查来看，90%负责人认为目前这类技术机器的成本相对较高，这也是企业不愿意购买机器的关键所在。

4 3D打印技术在机械零件设计运用中的优化策略

为了增强3D 打印技术在机械研究设计中的广泛应用，增强这一技术的领域常态化发展，就必须要完善当前的不足，针对问题该文提出了相应的完善策略。

4.1 加大宣传与推广，提升企业的接受能力

4.1.1 宣传并更新设计理念

部分企业对3D打印技术接受能力不强，也说明了这一技术对某些企业而言还存在着技术不深入人心的情况，或者是技术在应用过程中并不能完全符合企业的制造过程，不论是哪一种方式，都说明了3D 打印技术还没有形成一种常态化机制参与到制造企业中。首先，应该宣传这类技术，让更多的企业意识到3D 打印技术的优势性，逐步将机械零件过程转移到通过这一技术来加强设计，降低零件设计的时间与成本，提高设计量产的速度，提升总体的生产效率。其次，更新设计理念。针对在企业中的不适应性进行有效的技术更新，提升机械产品生产加工过程中的集成度与稳定性，对相应的生产过程进行深入的分析，妥善安置各个流程；针对不符合的地方进行开会讨论，增减各个运行环节，完成产品生产的精度保障，同时也能够较大程度上提升零件生产的质量水平。

4.1.2 政府参与技术的构建

由政府引导来建立3D打印技术中心，那么可以增强企业的接受程度。政府在设计过程中要构建示范中心，增强企业的参观性与体验性，在示范中心过程中，首先，建立模型设计机构，促使企业能够直观地看到3D打印机技术如何进行设计的创新优化，短时间内形成模型的这一整体过程，增强企业的技术应用信心。其次，建立产品的批量化生产服务机构，让企业了解整体性批量定制的技术应用优势，同时还能看到3D打印定制服务。最后，要对产生的产品进行技术检测。企业在技术检测中可以看到3D 打印技术所带来的产品优势性，与传统工艺相比，产品检测合格率占据了优势，才能增加企业对于这一技术的接受能力。

4.2 增强技术研发，提升技术应用的量产速度

4.2.1 增强技术的研究与创新适应

当前3D打印技术还没有完成全面性、批量化技术生产，也说明了技术在企业适应过程中具有较大的局限性。在未来的技术使用中，应该加大对技术的研发，促进机械零件产品的生产与技术具有较强的融合性，从而增强产品的量产速度[7]。这一过程离不开政府的参与引导。首先，政府要给予较多的财政支持，尤其是针对一些企业带头进行技术研发，政府要给予较大的财政优惠或支持，用于鼓励企业进行3D打印技术的适应性开发与研究。如果这类技术日趋成熟，能够适应不同机械产品的设计与制作，那么企业的广泛性应用以及批量化生产都会成为常态化趋势。其次，建立技术研发生态网络，促使3D打印技术的研发可以进行共享，不断依据企业的发展要求来进行技术创新，能够借鉴其他国家的技术战略部署，以不同的研发单位作为研究整体，构建更多的服务平台，以增强这类技术的技术应用与创新研发。

4.2.2 提升技术的自由设计能力

3D 打印技术实现了对原材料成型的创新设计[8]，通过软件的图像处理、数学建模，能够对当前的传统零件设计中的缺陷进行填补，提升了质量生产的合格率，这一过程必须要注重设计者的自由设计能力，不能局限于原材料的受限，也不受传统工艺的影响，提高3D打印技术的创新能力才能增强这类技术的有效应用。因此，提升技术的量产速度关键在于技术设计的创新优势上，能够改变传统的生产工艺效率低下的问题，能够增强产品的创新设计能力，这才是提升3D打印技术应用的关键所在。因此，企业要在3D打印技术中运用更多的自由设计理念，鼓励设计者依据自身的想法来改变零件的结构，提升层层叠加后的技术效果。机械零件的创新设计是未来机械制造发展的一个趋势，自由设计能力就显得尤为必要。

4.3 运用价格补贴机制，降低成本问题

为了增强3D打印技术的有效应用，对于一些小型企业而言，降低价格成本，才能增强其使用的积极性，为此政府应该建立完善的价格补贴机制，促使更多的制造企业敢于尝试这类技术。虽然短期内实现这类技术的快速应用并不现实，但是通过价格的补贴逐步实现3D 打印技术的全机械产业领域的应用是未来可期的一件事情。同时，还可以对目前使用这类技术实现规模化生产的企业进行费用的减免，当企业形成一定的规模数量后，政府则可以制定相应的减税规定，以此激发企业的技术应用激情，逐步了解3D打印技术的优势性。

5 3D打印技术的未来挑战与发展特点

5.1 未来挑战：技术开发丰富性较高

3D打印技术的行业应用较为广泛，发展前景不可限量，深入社会的各个层面，未来的技术发展中也面临诸多的挑战。针对机械零件行业而言，其技术开发的丰富性更高，主要表现在如下几个技术方面的完善与开发。

首先，高效制造技术的应用，高效制造是企业发展的必然趋势。3D打印技术在现有的技术基础上，要不断发掘高效制造技术，能够保证机械组织在一定的区域内实现材料的融合，在质量合格的基础上不断提升构建的高效优化与完善能力。其次，精度控制技术的完善。对于机械零件而言，精度控制是关键所在，机械零件不同，其本身的精细度、厚度都有差异，3D打印技术通过电子扫描约束成型的精度，这一过程主要是光斑直径影响。未来的发展中，通过光斑的精度设计来增强这些零件的精度技术控制能力，甚至会使精度满足微纳米级。

5.2 技术发展特点：个性、精简、轻量

3D 打印技术的未来技术发展特点表现出了较高的个体需要，产品简洁，轻量化设计。首先，满足个性化设计需求。通过3D 打印技术对复杂结构的个体需求控制，产生更多的个性化需求高的产品。这也是3D打印技术自由设计的特点之一，能够完成个性需求，要求对机械零件进行创新完善，促使其功能能够满足更多群体的需求。其次，设计更为精简，凸显了机械制造的方便与快捷，通过建模、切片，最终打印成需要的产品。降低了传统的一系列生产工艺，节省时间的同时，增强了零件的结构性能，也说明了精简并不降低其适用功能。最后，实施轻量化设计，这也是时代的需求与发展。随着习近平绿色工业的提出，通过应用先进材料实现轻量化设计，也是满足了节约成本的需求。传统工艺对于加工制造的轻量化设计并不容易，通过3D打印技术则能够实现自由设计的多孔度内部优化，也是对轻量化设计的一个有效技术完善。通过使用最少的材料来完成全面的功能所需，彰显时代发展的绿色、节约主题。