激光增材制造技术在农机设备零件中的应用*

罗方焰，焦天文，陈丰林，黄 江

（1.广东海洋大学电子与信息工程学院，广东 湛江 524088；2.广东省智慧海洋传感网及其装备工程技术研究中心，广东 湛江 524088）

0 引言

增材制造（AM）技术（也称为3D 打印技术）起源于20 世纪80 年代，是一种基于离散-堆积原理，由三维CAD 数据驱动，直接制造实体零部件的高端数字化制造技术[1]。激光增材制造技术（LAM）是以金属粉末为原材料、以激光为能量源的一种增材制造方式，其特点是直接、快速、绿色环保、高柔性、数字化、智能化。按照材料添加的方式不同，可以将金属零部件激光增材制造技术分为两类，一种是以同步送粉为技术特征的激光熔覆沉积LCD 技术，其优点是可以制造大尺寸零件，设备简单；缺点是成形精度低，主要用于零件的修复。另外一种是基于粉末床铺粉的激光选区熔化成形SLM 技术，其优点是成形精度高，构件力学性能好；缺点是成形效率低，单光束激光成形尺寸偏小，适用于精度要求高的复杂零部件的生产。

相比传统减材制造（如机械加工、化学铣削等材料去除加工）和等材制造（如铸造、冲压等模具控形加工），LAM 技术具有快速制造复杂结构产品、高效利用原材料、可高度优化产品结构和适应个性小批量生产等优点[2-3]，非常符合农机设备零件制造整体化、复杂化、轻量化、结构功能一体化的制造需求，为传统农机设备零件制造的转型升级提供了巨大帮助。

1 我国农机设备零件制造现状

随着我国农机零件制造技术的快速发展，农业机械行业的整体技术水平和现代化程度得到了显著提升，农机设备的功能、可靠性等也都得到了明显提升。但我国的农机设备还存在可靠性、耐用性低，维修率高，关键零部件精度不足等缺点。在关键零部件质量提高、个性化生产和零件替换等关键技术方面，与国外还存在较大差距。

数控制造技术是目前我国农机设备零件主要的现代化制造技术。数控技术通过将二维图纸、三维模型导入数控机床，就能自动生成加工程序，经过工人简单的检查与修正，即可快速实现复杂零件的批量化自动制造[4]，具有生产效率高、精度高等优点，并且还省去了人工对零件拆装、测量、再加工的过程，使得农机设备零件的制造效率和水平有了质的飞跃。

使用传统的数控制造技术生产特定的零部件时，生产耗时长、效率低下、成本昂贵。对于新研发的设备零件或新型材料的生产而言，试错成本较高，这在一定程度上制约了农机设备的推广与应用。采用激光增材技术即可解决上述问题，使用激光增材技术可以实现快速生产零部件，减少生产成本，大型农业设备利用多台增材设备制造一套关键零部件通常只需3～4 天的时间[4]。若新零件或新材料在试验过程中发现不合理之处或是出现错误，能够及时进行修改，降低试错成本，提升研发速度。并且，采用激光增材技术可以提高零部件的硬度和耐腐蚀性，延长使用寿命。对于损坏的零部件，可用激光熔覆技术进行修复并增强性能；对于可更换的已损坏零部件，可以使用激光增材技术专门制造，能够满足不同机械对于同种零件的不同尺寸或不同加工精度的需求。

随着技术的不断成熟，激光增材制造技术目前也开始应用于农机的零件制造，激光增材制造技术在零件制造领域包括直接零件制造和间接零件制造两个方面。直接零件制造多采用SLM 技术制造形状复杂、曲面较多的零件，如水轮机的叶轮、旋耕刀、开沟机的开沟装置、送料螺旋等；间接零件制造技术则首先通过SLA、SLS 等激光增材制造技术制造产品的模型，其次以3D 打印的零件模型为基础铸造模具，最后对铸造的零件进行简单的机加工获得最终的零件。对于农机的核心部件如农用水泵的叶轮等，可采用SLA 光固化技术，其能在更少的时间内生产出结构复杂的母模，再通过快速熔模铸造技术等，可小批量生产叶片、叶轮、涡轮等复杂零件[5]。

2 激光增材制造技术应用于农机设备零件制造的可能性

农机设备的需求量不断增长，对农机设备的研发、生产、售后、维修等工作提出了更高的要求。面对市场的激烈竞争，农机生产企业在对农机设备零件进行制造的过程中，既要兼顾高质量和精细化的要求，也需要不断提高设备的制造性能。因此，本文将从以下两个方面讨论激光增材制造技术应用于农机设备零件制造的可能性。

2.1 精细化程度和力学性能

陈光霞等[6]对DLF 与SLM 两种激光增材快速成型技术进行分析和比较，得出SLM 与DLF 两种技术都可提高零部件的生产精度的结论。其中，SLM 的成型精度要优于DLF 技术；力学性能方面，两者都具有较高的性能，均优于普通不锈钢。李超[7]通过激光增材制造成形316L 不锈钢，发现通过激光增材制造技术制造的316L 不锈钢，可以获得比传统冶金方法制备的316L 不锈钢更加优异的强度和塑性。因此，激光增材技术十分适用于农机设备零部件的生产与修复，特别是对于大型农业机械设备零件的生产，例如发动机与转轴等具有超高精度要求的关键零部件。对于刀片、钻头等易损耗、需要经常维修的零件可采用DLF 技术与激光熔覆技术对其进行修复并提高性能。

2.2 农机零件制造所需的复合材料

激光拥有能量密度高的特点，因此相较于其他的增材制造技术，激光也从根本上决定了增材制造过程中金属材料能否熔化的本质问题[8]。激光增材制造技术的明显优势是可对高熔点、难加工的大型金属进行零件的加工制造，并且不受零件结构、形状的限制，可以满足农业生产领域对于多性能材料的需求，实现整体成型和多材料成型。

金属激光增材制造（LAM）可以制造出结构复杂、晶粒细小的高性能金属构件[9]，其采用激光、电子束和电弧等离子弧为热源，具有适用材料范围广、能量密度高、成型精度高等优点，很好地满足了农机设备关键零部件所需要求。宋波等[9]在《金属激光增材制造材料设计研究进展》一文中，清晰列举了铝合金、钛合金、铁基合金、镁合金等在经过LAM 技术制造后的情况，发现其性能都得到了普遍提升。邓澄等[10]运用激光增材制造纯钨制件，实现了合金硬度的提高，并通过优化扫描速率和激光功率等加工参数，降低了成形过程中的热累积效应，减少了温度梯度和热应力等因素的负面影响，实现了高性能钨铜复合材料微型结构件的制备。冯晓甜等[11]通过送粉式激光增材技术制造TC4 钛，观察到熔覆层硬度提高，并拥有较好的抗电化学腐蚀和耐点蚀能力。

3 激光增材技术在我国农机零件制造中的应用前景

农机零件制造相较于高端设备零件制造总处于落后阶段，为促进我国农机设备零件制造的发展，有必要加强激光增材制造技术在农机设备零件制造上的应用。通过借鉴高端制造领域先进激光增材制造技术的研究成果，为农机设备零件制造提供研究方向，可以从以下几个方面进行研究。

3.1 设计适用于农机设备的激光增材制造生产设备

陈光霞等[12]在《SLM 激光快速成型设备的设计与开发》一文中自主研发了一套SLM 快速成型设备。实践证明，该设备不仅成本较低，而且能制造形状复杂、精度较高的金属零件，因此具有较高的使用推广价值。基于此，未来可以贴合农业生产特点和性能需求，研发适用于农业生产的激光增材制造生产设备。

3.2 完善基础工作和层级设计

目前的激光增材制造技术的设计理念不完善，还缺乏理论指导，应用于农机设备零件制造的理论指导更是少之又少。宋波等[9]曾指出如今LAM 技术的设计理论不完善、材料体系不健全等问题。特别是对于农机设备零件在特殊环境服务时的需求，例如低温、高温、耐腐蚀、抗疲劳等的可控设计，还存在很大的发展空间。因此，应做好激光增材制造技术在农机设备零件制造中的基础工作，不断完善其技术体系和理论基础，吸取高端制造行业积累的理论成果和制造工艺经验，打造适用于农机设备零件制造的理论与生产体系，从而提升农机设备零件生产的各项性能与生产效率。

目前，激光增材制造技术设计方法大多是提升材料的加工性能，并没有从材料的多层级、多因素方面进行考虑，因此未来应从材料的适用环境与所需功能入手进行设计，应完善设计层级，实现多层级、多因素的可控设计。例如，对于农机设备零件制造，应在满足性能的同时提高硬度、耐腐蚀性、抗疲劳性、耐高温或耐低温性等。

3.3 提高抗疲劳性

如今对激光增材制造技术制造的零部件的研究，大多集中在室温下的拉伸性能、硬度、耐腐蚀性等方面，而对于耐高/低温性能和抗疲劳性能的系统研究相对较少。虽然农机设备零件的关键性能是硬度、拉伸性能、耐腐蚀性，但是大部分农机设备零件需长时间进行高强度的工作，这要求农机设备关键零部件拥有良好的抗疲劳性能。

廖宇等[13]对激光增材制造技术制造的金属材料进行了疲劳寿命研究，设计了多组带典型结构细节的模拟试验件，试验后发现，铝合金相较于钛合金存在较大缺陷，钛合金粉末试验件的疲劳分散性较锻件更大，寿命差异最大可达2个量级。

如今通过激光增材制造技术制造的农机设备零件，还不能很好地满足高抗疲劳性的要求，且产品的抗疲劳性能不稳定。因此，在未来如何通过激光增材制造技术制造力学性能良好且抗疲劳性高的农机设备零件，是一个非常重要的研究方向。

3.4 个性化设计

在农业生产领域，生产者对工具的使用因传统习惯、地理环境因素、自身条件的不同而存在差异。尽管我国有许多不同的农机设备生产制造商制造不同规格的农机设备，但是各制造厂商主要还是按照自身设计规格进行大规模的生产制造，农业生产者只能在固定范围内选择设备。另外，我国大部分农机设备都有固定功能，例如收割机、播种机、除草机等，农业生产购买农机设备的成本也比较昂贵，这些问题都阻碍了我国农机设备的发展、推广和普及。

随着激光增材制造技术的发展，制造商可以通过农业生产者提供的CAD 制图、简易图片或口头描述，按照农业生产者的特殊要求进行定制，以满足农业生产者的自身习惯以及对于特殊工作环境的要求。这不仅能满足农业生产者的个性化定制需求，提升生产效率，也能降低企业的生产风险。

4 结束语

随着激光技术与制造技术的快速发展，激光增材制造技术成为推动传统产业转型升级和战略性新兴产业高速发展的新引擎[14]，但由于激光增材制造技术的制造过程不够精细、设备不够完善，以及农机设备自身的特点和工作环境的特殊性，激光增材制造技术在农业领域的推广应用还比较困难，在农机设备领域的应用与研究还处在滞后阶段。激光增材制造技术在高端制造领域的广泛应用已经积累了大量的实验数据与基础理论，特别是在汽车制造领域的实验成果，这对于其在农机设备零件生产中的应用具有十分重要的参考意义与价值。并且激光增材制造技术生产的零件具有精度高、力学性能良好、抗腐蚀性强、质量轻等特点，不仅能够对损坏的零件进行修复，还能够很好地解决我国农业机械化设备应用中普遍出现的问题。总体来说，激光增材制造技术在农业领域的应用仍然具有巨大的发展潜力。