基于3D打印技術(shù)的機(jī)械零件設(shè)計(jì)研究

肖文哲

摘 要：在科技的推動(dòng)下，3D技術(shù)成為了人們生活中的常見技術(shù)。近些年3D技術(shù)憑借著出眾的性能，成功的進(jìn)入到了服裝、醫(yī)療、工業(yè)、航空航天領(lǐng)域。自國(guó)家推出相關(guān)政策后，3D智能技術(shù)重要性得到了進(jìn)一步的彰顯。現(xiàn)本文將以3D技術(shù)零件創(chuàng)新設(shè)計(jì)為依據(jù)，分析其前景，希望能夠幫助有關(guān)人員了解這項(xiàng)技術(shù)，提高3D技術(shù)在機(jī)械零件設(shè)計(jì)中的有效性與價(jià)值。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；機(jī)械零件；設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.032

0 前言

多年的發(fā)展讓3D技術(shù)成功的融入到了各行各業(yè)，其對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)的影響非常突出。傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)、加工非常麻煩，需要消耗大量的時(shí)間，如復(fù)雜內(nèi)腔、空間曲面等等。傳統(tǒng)加工涉及到眾多的操作步驟，有著十分漫長(zhǎng)的加工時(shí)間，故已經(jīng)不再適用于現(xiàn)如今的生產(chǎn)工藝。對(duì)3D打印來(lái)說(shuō)，其與傳統(tǒng)技術(shù)最大的區(qū)別便是復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件設(shè)計(jì)與生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)非常突出。除此以外3D打印技術(shù)在免裝配制造中起到的作用也非常明顯，故得到了航天、軍工、汽車等領(lǐng)域的高度關(guān)注。漸漸成為了取代傳統(tǒng)技術(shù)的一種新型技術(shù)。

1 3D打印見解

1.1 定義與原理

3D打印技術(shù)也就是通過(guò)構(gòu)建三維模型的方式，建模模型與切片處理，展開對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)品的加工，用3D打印機(jī)創(chuàng)造生產(chǎn)產(chǎn)品。該技術(shù)又稱快速原型技術(shù)[1]。

3D打印技術(shù)原理為設(shè)計(jì)人員根據(jù)三維模型圖與切片軟件設(shè)計(jì)，在此過(guò)程中結(jié)合制造方向進(jìn)行處理。利用此時(shí)得到的數(shù)據(jù)信息，噴涂粘結(jié)劑最后制成三維制件[2]。

1.2 基本分類與優(yōu)勢(shì)

因?yàn)榧庸げ牧媳旧碛幸欢ú町?，且材料的形狀、質(zhì)地完全不同。此外熱源也有著多樣的類別，3D打印技術(shù)有著眾多種類。目前比較常見的技術(shù)包括電子束熔化、三維噴涂粘結(jié)成型、激光選區(qū)熔化、光固化成型、激光近成型。

3D設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于材料有著很高的利用效率、模具與道具使用次數(shù)很少、有著極高的加工效率、設(shè)計(jì)自由方便、成型周期短、設(shè)計(jì)復(fù)雜度得到了有效控制。從如上的特點(diǎn)可以看出3D打印的優(yōu)勢(shì)非常突出，該技術(shù)效益高、成本低，且裝配流程比較簡(jiǎn)化[3]。種種優(yōu)勢(shì)對(duì)于社會(huì)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)效益的積累來(lái)說(shuō)意義重大。

2 機(jī)械零件設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

機(jī)械設(shè)計(jì)有著多種多樣的要求，為了滿足機(jī)械設(shè)計(jì)的要求，就必須重視零部件的科學(xué)化設(shè)計(jì)。該工作是設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)與重要環(huán)節(jié)，必須在進(jìn)度安排、材料選用、參數(shù)設(shè)定中予以落實(shí)，保障機(jī)械設(shè)計(jì)有效性、合理性。此外還要充分發(fā)揮機(jī)械零件應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。機(jī)械零件設(shè)計(jì)必須滿足污染低、安全性高、用時(shí)長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、維修方便、成本低的要求。所有設(shè)計(jì)都要互相影響、互相關(guān)聯(lián)，掌握機(jī)械設(shè)計(jì)要求，確保設(shè)計(jì)能夠有序進(jìn)行。

3 3D打印機(jī)械零件設(shè)計(jì)方法

目前3D打印比較常用的控制算法為PID控制算法，PID是工業(yè)控制器中最常見的一種，使用ABS打印絲材?？刂乒饺缦拢?/p>

3.1 曲軸零件

軸套類零件主體結(jié)構(gòu)為軸旋轉(zhuǎn)體，其軸向尺寸超出徑向尺寸。當(dāng)然這種零件還有著扭矩傳遞作用。此類零件加工方法為切削加工，尺寸、形狀加工有著明確的規(guī)定與眾多的要求。所以這類零件大多為大批量生產(chǎn)。當(dāng)然3D打印技術(shù)并不適用于批量生產(chǎn)，而是主要用于有高生產(chǎn)精度要求的個(gè)別零件。

軸類結(jié)構(gòu)大多應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)。軸類結(jié)構(gòu)加工過(guò)程非常復(fù)雜，需要處理眾多的難點(diǎn)項(xiàng)目，不僅會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間，同時(shí)也有著很高的處理成本。3D技術(shù)加工與制造軸類結(jié)構(gòu)能夠有效提升軸類結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度、成型準(zhǔn)確度與剛度。在3D技術(shù)的支持下，曲軸功能的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：首先曲軸退刀槽、止推面結(jié)構(gòu)得到了充分的優(yōu)化。其次平衡塊在3D設(shè)計(jì)的過(guò)程中，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到了充分保障，平衡效果更易于達(dá)成設(shè)計(jì)要求。最后3D打印能夠完成油孔道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)接口順利過(guò)渡，進(jìn)而減少了油液外泄問(wèn)題的發(fā)生幾率。總結(jié)來(lái)說(shuō)就是3D打印技術(shù)在曲軸設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，能夠賦予曲軸設(shè)計(jì)潤(rùn)滑功能、連接功能、支撐功能。

對(duì)打印過(guò)程的分析可以得出，軸類結(jié)構(gòu)生產(chǎn)實(shí)際上對(duì)于材料的要求是很高的，金屬材料的性能將會(huì)直接影響打印質(zhì)量。所以在打印中必須選擇FDM型打印機(jī)，該類型打印機(jī)能夠充分保障打印質(zhì)量，提高結(jié)構(gòu)加工型。在打印過(guò)程中先轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，也就是調(diào)整曲軸模型，重命名曲軸名稱，隨后用軟件測(cè)試其完整性，該過(guò)程能夠?yàn)槟Ｐ偷拇蛴√峁└鞣N參數(shù)依據(jù)。隨后切片處理模型，導(dǎo)入模型，并設(shè)置好切片的參數(shù)與成型的方向，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化存儲(chǔ)到打印機(jī)當(dāng)中。在實(shí)踐中得出，橫向成型相較于豎向成型，時(shí)間能夠節(jié)省多達(dá)10分鐘時(shí)間，但豎向成型卻比橫向成型節(jié)省0.6米材料。之后準(zhǔn)備打印材料，根據(jù)設(shè)計(jì)的方向、情況進(jìn)行打印。在此過(guò)程中需要做好打印精度的控制，優(yōu)化打印的效果。結(jié)束打印后檢驗(yàn)成品、展示成品，觀察曲軸的結(jié)構(gòu)與預(yù)期要求是否相同，保障3D打印合理性。

3.2 箱體類零件

箱體零件具體包括減速器箱體、泵體箱體、閥體箱體。當(dāng)然箱體零件不管是外在形態(tài)還是內(nèi)在結(jié)構(gòu)都十分的復(fù)雜。普通人在日常生活中實(shí)際上很難碰到這類零件，該類零件大多用于密封與容納。

傳統(tǒng)加工中這類零件的制造對(duì)鑄造模式的要求比較突出。大批量生產(chǎn)過(guò)程中通常會(huì)選用金屬機(jī)器。不過(guò)因?yàn)榻饘贆C(jī)器本身的精度會(huì)出現(xiàn)一定問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致質(zhì)量無(wú)法滿足要求，所以在生產(chǎn)過(guò)程中如果出現(xiàn)一絲細(xì)微的誤差，一整批零件最終都會(huì)受到影響。3D打印技術(shù)制作的箱體零件不僅準(zhǔn)確度高，同時(shí)也不會(huì)影響其他加工，實(shí)現(xiàn)了失敗率的有效控制、生產(chǎn)時(shí)間的有效控制，預(yù)防了裝夾問(wèn)題的發(fā)生，減少了設(shè)備、人力、材料方面的損耗。

3.3 盤蓋類零件

這類零件大多用作箱體零件銜接，通常情況下，這類零件都是方形或是圓形的扁平狀結(jié)構(gòu)。盤蓋類零件的功能包括堅(jiān)固、軸向定位。設(shè)計(jì)過(guò)程中需要用3D打印技術(shù)優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高盤改類零件美觀性與實(shí)用性。

3.4 叉架類零件

我們?cè)谄綍r(shí)的生活中經(jīng)常能夠看到很多的叉架類零件，這類零件為不對(duì)稱樣式。這類零件除了同種零件外，其他形狀各不相同。比如搖臂、連桿、撥叉等。使用叉架類零件的目的是獲得更好的轉(zhuǎn)動(dòng)效果與連接效果。

叉架類零件孔精度要求較高，會(huì)受到加工材料影響。加工過(guò)程中叉架類零件很容易發(fā)生變形問(wèn)題，加工中需要使用各種各樣的夾具，浪費(fèi)眾多時(shí)間。3D打印技術(shù)能夠改變這一問(wèn)題，3D打印技術(shù)無(wú)需夾具，可以直接生產(chǎn)。且3D打印不用擔(dān)心裝夾帶來(lái)的誤差，導(dǎo)致零件作用無(wú)法得到最大化體現(xiàn)。

3.5 液壓閥塊

所謂的液壓閥塊又稱液壓元件，這種裝置的作用為控制管路壓力油流動(dòng)，能夠讓機(jī)械動(dòng)作更加流暢。液壓元件包括大量的液壓油氣孔道，對(duì)油液流動(dòng)壓力、流量、方向而言都有控制作用。正因其有著如此多的作用，所以設(shè)計(jì)難度非常突出。使用傳統(tǒng)方式處理與制造時(shí)，流程非常復(fù)雜，難度比較巨大。加工中很多環(huán)節(jié)都有著較大的阻力與風(fēng)險(xiǎn)。只有做好了每一個(gè)環(huán)節(jié)的復(fù)雜度控制，才能夠最大化液壓閥塊優(yōu)勢(shì)。使用3D打印技術(shù)處理與加工液壓閥塊生產(chǎn)，可以靈活解決各種生產(chǎn)問(wèn)題。在彌補(bǔ)傳統(tǒng)生產(chǎn)弊端的同時(shí)，完成了孔道有效改進(jìn)。此外3D打印技術(shù)生產(chǎn)液壓閥塊還能夠有效控制生產(chǎn)成本，提高加工性能。將這些技術(shù)總結(jié)到一起也就是能夠完成形位公差控制，不用夾具就能夠解決裝夾需求。通過(guò)增加一定量的金屬粉末便可以控制閥體重量與流體流向。在3D技術(shù)的支持下，自由完成液壓閥塊的設(shè)計(jì)，提高了液壓閥塊性能。

對(duì)打印過(guò)程的分析可以得出，因液壓閥塊為金屬制造，使用3D打印技術(shù)打印能夠驗(yàn)證加工可行性。第一步轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)將作為最終3D模型的打印基礎(chǔ)因素，以三角網(wǎng)格為代表。在此過(guò)程中檢查模型的完整性，在模型為完整狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行切片操作。切片操作就是設(shè)置好切片的參數(shù)與成型的方向，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入、轉(zhuǎn)化并存儲(chǔ)到打印機(jī)當(dāng)中。之后開始打印，將SD卡插入3D打印機(jī)，觀測(cè)運(yùn)行平穩(wěn)性與打印時(shí)間，結(jié)束打印后，去除無(wú)用支撐，結(jié)束后展示成品，觀察結(jié)構(gòu)，承重與校對(duì)精度，分析其使用效果。

3.6 轉(zhuǎn)運(yùn)站頭罩

這種裝置是系統(tǒng)設(shè)備，負(fù)責(zé)運(yùn)載物料。轉(zhuǎn)運(yùn)站頭罩的結(jié)構(gòu)包括三通分料器、導(dǎo)料槽、轉(zhuǎn)運(yùn)頭罩與轉(zhuǎn)運(yùn)落料管。設(shè)計(jì)過(guò)程中需要同時(shí)考慮帶速、輸送高度，這些數(shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。使用傳統(tǒng)方法制造會(huì)出現(xiàn)鋼板變形、焊接變形、曲面加工難的問(wèn)題。種種要素限制了轉(zhuǎn)運(yùn)頭罩功能的發(fā)揮與體現(xiàn)。3D打印技術(shù)生產(chǎn)設(shè)計(jì)頭罩的時(shí)候，可以有效改善上述要素，減少無(wú)用的結(jié)構(gòu)包括法蘭結(jié)構(gòu)，提高了成型速度，不會(huì)受到材料因素的限制。

對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)站頭罩打印的分析可以得出，3D打印技術(shù)優(yōu)化了空間曲面，且降低了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。使用這一技術(shù)設(shè)計(jì)大型零件的過(guò)程中，需要準(zhǔn)備好相對(duì)應(yīng)的技術(shù)，確保該技術(shù)能夠在生產(chǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中一體化成型，提高加工制造速度，降低產(chǎn)品制造難度。

4 結(jié)語(yǔ)

3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)非常突出，機(jī)械零件完全可以借助3D打印技術(shù)強(qiáng)大的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。3D打印技術(shù)的特性不僅符合與體現(xiàn)了創(chuàng)新要求，同時(shí)還能夠拓展打印技術(shù)使用范圍。此外零件性能也可以在3D打印的途中得以優(yōu)化，成型零件能夠更好的滿足使用需求。結(jié)合3D打印在眾多機(jī)械零件中的實(shí)踐設(shè)計(jì)結(jié)果可以看出，未來(lái)3D打印技術(shù)將擁有良好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]張德龍.基于3D打印技術(shù)下機(jī)械零件創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)的思考[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2018（06）：80-82.

[2]劉丹，許賀，李芳琳.3D打印在汽車行業(yè)上的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018（12）：164-165.

[3]白龍.淺談3D打印SLM技術(shù)在機(jī)械自動(dòng)化加工中的應(yīng)用[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2018，26（07）：41.