基于3D 打印技术在机械制造中的应用研究

黄执高，张 勇，郭烈红，朱海鹏，宁 超，罗永洪

（南昌大学科学技术学院，江西 九江332020）

传统机械加工方式主要是车、铣、刨、钻、镗等，其生产过程中依靠人为操作各类型机器设备，通过制定工艺加工工序，完成其产品的生产制造。随着科学技术的发展，涌现出了越来越多的新兴制造技术，其中有一个名为“3D 打印”的创新技术，近几年被尤为广泛应用。3D 打印技术通过使用先进的CAD/CAE/CAM计算机辅助设计建模技术完成其产品模型的设计，并通过材料打印机来实现其制造过程，常用于机械、模具、工业设计等加工制造领域，由于其制造工艺比较简单，常用于某些产品的研发与直接制造。很多制造加工科技公司在产品研发中使用该技术来打印所需的产品相关零部件，该项技术广泛应用于航空航天、机械制造、模具加工、船舶、美术、艺术设计等制造领域[1]。和传统机械制造技术不同，它带来了新型的塑型制造及加工等“新潮”技术[2]，给传统制造带来一场大变革。

1 常用传统机械加工方法及特点

在各类科技高速发展的今天，虽然涌现出很多新兴的技术，但在中国的许多机械类行业和企业中，仍然保留着统的机械加工方法。机制加工制造中，常见的加工方法有如下2 种。

1.1 车削加工

车削加工是在车床上利用车刀对旋转的工件进行车削加工的方法[3]，主要用于加工各种轴类、盘类、套筒类等具有回转表面的回转体或非回转体工件，是机械制造和修配工厂中使用最广的一种加工方式。其加工项目内容包括车圆柱面、车圆锥面、车端面、车沟槽、车成型回转面、车螺纹、滚花、钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹等。粗车时，尺寸精度可以达到IT8～IT7，表面粗糙度Ra6.3～1.6 μm；精车时，尺寸精度为IT6～IT5，粗糙度为Ra0.4～0.1 μm。

1.2 铣削加工

铣削加工是将毛坯固定，利用铣刀高速旋转在毛坯上走刀，切出需要的形状和特征的加工方法[3]。其项目加工内容主要有铣平面、铣键槽、铣燕尾槽、铣台阶面、铣螺纹、铣齿轮、铣成型面、铣螺旋面等。也可以对各种平面、沟槽等进行粗、精加工，其加工尺寸精度可达IT9～IT7，表面粗糙度可以达到Ra6.3～1.6 μm。

2 3D 打印技术的工作过程

3D 打印成型技术和传统加工制造技术不同，是一种增材技术，其工作原理是将原材料多层叠加，平面工作台自动升降，将零部件从无到有地生产、加工出来。和传统机械制造技术不同，它带来了产品制造过程中新型的塑型制造及加工等“新潮”技术，在实际工作中和数控技术结合可快速完成复杂机械零件的加工制造。其在机械领域应用主要在以下2 个方面。

2.1 增材技术

增材技术是运用粉末金属或塑料等可粘合材料，通过一层一层叠加的技术，基于离散累加原理，由特定的三维坐标切片生成真实物体，体现了直接性。该技术结合了数学和图像领域的许多技术，如数学建模方法、数学分析方法、图像处理与仿真技术、机电技术和金属材料等。

这种技术的局限性也是比较客观的。例如，材料组装控制问题直接体现在金属成型过程中，因为三维打印CT 层是堆叠的，堆叠过程中容易发生金属氧化，这将直接影响制造实体的质量和性能；堆积层厚度不易控制，堆积层过厚，制造固体表面不光滑，精度下降，粗糙度增大；一些高精度制造的零件可能需要多波束配合。这些光束的频率和温度必须一致并同步制造，才能确保制造零件的稳定性和效率。

2.2 3D 打印技术与数控技术的结合

3D 打印技术是利用粉末冶金、塑料和陶瓷通过喷嘴形成固体。数控技术是一种材料还原技术，即在最终产品的成形过程中，对加工后的材料不断进行还原，最终形成真正的材料。在实际产品生产制造过程中，增材技术与减材技术结合使用，可以快速缩短新产品研发的周期、节省研发成本，为后续产品的批量生成提供原始生产制造的原始数据参考，提高了生产的效率，有利于产品工艺制造过程中工艺方案的制定，为大量生产其产品提供依据。

3 3D 打印技术的工作原理和加工制造方法

3D 打印技术是一种“降维制造”思想的制作过程[4]，先将三维实体转化成三维电子模型，然后把电子模型进行二维分层，逐层制作并累积起来的技术，其形成需要三维实体模型，具体加工制造过程如下。

3.1 三维模型的构建

建模方法主要有3 类：①借助CAD/CAM/CAE 三维建模软件，将实体模型转化成软件中的电子模型；②提供实体不同角度下的照片，计算机通过照片分析而反应得出实体的电子模型，常用软件是Autodesk 123D Catch；③通过3D 扫描仪扫描物体，分析现实物体中环境或物体的形状、外观数据等一些信息，从而创建相应的数字模型。

3.2 打印模型格式的生成

将模型文件转化为3D 打印机的文件格式，在保证各软件之间的语言转化准确性的条件下，建立起建模软件和3D 打印机之间的协议通道。

3.3 模型的切片处理

CAD/CAE/CAM 专业软件导出的格式文为.STL，然后利用专业的切片软件进行处理后，将图形数据转成3D 打印机器可以识别的代码格式。切片是用软件转换成3D 打印机动作数据（gcode）的过程。

3.4 成型加工

在计算机的控制下，相应的成型头按特定的有规律运动，在工作空间一步一步地堆积材料，最终得到产品原型。

3.5 零件的后处理

通常采取的后处理方法有拆支撑、打磨、粘合、喷涂上色等，通过一系列的后处理措施，得到最终产品。

4 典型机械零件采用3D 打印技术制造和传统加工相比的优势

齿轮、叶轮是典型的机械零件，属于复杂零件，采用传统工艺加工，具有制造过程周期长、工艺复杂、工序长，制造成本高、设备一次性投入大等缺陷，尤其对新产品研发周期不利。假如采用3D 打印技术可以快速完成其产品模型的制造，为新产品的研发缩短周期，节省成本。具体制造工艺对比如下。

4.1 齿轮传统加工制造工艺[5]

铸造制坯：齿轮零件一般采用热模锻铸造方式对毛坯进行锻造。

正火：齿轮正火目的是获得适合后序齿轮切削加工的硬度，对其热处理进行组织准备，减少热处理变形，避免毛坯缺陷。

车削加工：齿坯的加工是提高尺寸外形精度及定位准确的基本要求，一般采用数控车床对其进行加工，这样既保证了其内孔和端面的垂直度要求，又保证了大批量齿坯生产的尺寸离散小等，提高了齿坯精度，确保了齿轮的加工质量。

滚、插齿：其实就是利用插齿刀或滚齿刀按照展成法或成形法加工内、外齿轮或齿条等的齿面。

剃齿：剃齿刀与被切齿轮在轮齿双面紧密啮合的自由展成运动中，实现微细切削过程。

齿轮修整：对于一些使用场合要求高（如变速箱）的齿轮进行毛刺检查，以免装配好后，齿轮运行时发出异响，同时也能将降低齿轮的磨损，提高使用寿命。

此外，还有热处理、磨削加工等制造工艺。

4.2 叶轮传统加工制造工艺

叶轮传统加工制造工艺具体有模具处理（需清理模具及周边和涂脱模剂，然后打蜡）、壳体铺层、壳体注胶（升温，铺脱模布，铺导流网，最后粘接胶带）、壳体固化（需要升温、保温、自然降温3 个小步骤）、客体清理（清理壳上杂物及其辅助材料）、合模、补强、叶片表面处理。

4.3 齿轮和叶轮3D 打印制造方法

设计齿轮和叶轮的三维模型，并将其转化为SLT格式；导入Cura 切片软件，切片处理后，保存为打印机能够识别的Gcode 文件；将文件导入3D 打印机中，进行打印，等待打印完成；对齿轮进行拆支撑等一些后处理，得到产品原型。

4.4 叶轮产品成型过程

叶轮需要使用三维建模技术在UG 或者PROE 软件中进行产品的设计建模，其模型最终效果图1 所示。然后再将文件导出为STL 文件，注意是导出STL 文件而不是另存.prt 格式，然后将保存的STL 文件用相应的3D 打印软件打开，这里选用的是UPstudio 软件打开。

图1 模型最终效果图

进入此软件时，直接点击添加，寻找需要打印的文件。然后自主选择各个符合情况的参数，如图2 所示，包括层厚（每一层的打印厚度）的选择、填充物（一般来说选择的填充物越密，产品的硬度越高）的选择、补偿高度（一般不推荐新手自行调节）的选择。最后点打印预览（这个步骤千万不要省略，它可以直接反映出打印参数是否设置合理），最后等待打印产品制造原型，打印完成后需要对其产品进行后期工艺处理，比如去除辅料、利用锉刀修磨毛刺等，最终达到其加工外形制造及加工精度的要求。

图2 参数设置

4.5 加工工艺对比

齿轮和叶轮采用传统加工工艺加工成本较高；对操作的技术人员要求严格；工序较多且部分工序要求在真空环境下进行，周期长，生产成本高。采用3D 打印技术能一次性完成产品加工制造，加工工艺简单，缩短制造周期，减少产生成本，可以获得良好的经济性。具体优缺点参考如下。

产品制作简单，且加工过程中不太需要技术人员人为干预；材料成本相对较低；加工齿轮所用时间短，但精度依然较高。

较于传统加工，打印的齿轮各项物理性能及强度较差，主要体现在材料上，一个是铸铁，一个是粘合材料；打印的质量、耐磨性、坚固性、强度、传递效率等会受到打印时所使用的材料、打印机的种类及打印机的工作环境的影响。

5 总结

至今，中国对3D 打印技术的探索已有20 多年的历史，虽然小有成就，但至今国内还未形成相应的产业链，没有商用化和产业化。

3D 打印技术改变了传统机械制造的模式，在机械的不同领域都有不同程度的发展，节约了成本，提高了生产效率等，一定程度上推进了机械制造行业的进步，它在机械制造应用方面仍有很多的发展空间。猜想只要未来能够突破使用更硬的材料进行粘合，3D 打印技术必定会有更大的飞跃。在当前大数字化时代，相信3D 打印技术有更好的发展前景。