張一峰

3D打印輔助制造技術(shù)在農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張一峰

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，山西太原030031）

通過(guò)介紹3D打印輔助制造技術(shù)在農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)中的必要性及其作用，以及《山西省3D打印輔助制造技術(shù)實(shí)驗(yàn)室》項(xiàng)目研究開(kāi)發(fā)的主要內(nèi)容和主要功能等，闡述了3D打印輔助制造技術(shù)在農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)中的影響，證實(shí)了3D打印輔助制造技術(shù)能有效地縮短農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)次數(shù)和試驗(yàn)周期，增加其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，克服了我國(guó)農(nóng)機(jī)工業(yè)設(shè)計(jì)能力的薄弱環(huán)節(jié)。

3D打??；制造技術(shù)；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

0 引言

3D打印，也叫增材制造技術(shù)，是一種三維實(shí)體快速成型制造新技術(shù)，它綜合了計(jì)算機(jī)的圖形處理、數(shù)字化信息和控制、激光技術(shù)、機(jī)電技術(shù)和材料技術(shù)等多項(xiàng)高技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。它的定義好理解，但其實(shí)3D打印技術(shù)一直在變革，其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛[1-3]。

一直以來(lái)，農(nóng)機(jī)科研開(kāi)發(fā)受季節(jié)、時(shí)間、環(huán)境影響極大，研發(fā)一代新產(chǎn)品，通過(guò)研制、試驗(yàn)、改進(jìn)，需要近3年的時(shí)間才能完成。由于缺乏樣機(jī)模具加工生產(chǎn)的試驗(yàn)和受力、性能等方面的測(cè)試環(huán)節(jié)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期過(guò)長(zhǎng)，產(chǎn)品品質(zhì)、技術(shù)性能難以保證，造成人、財(cái)、物的極大浪費(fèi)。

3D打印成型技術(shù)，目前成型方式主要包括SLA光固化、SLS選擇性激光燒結(jié)、SLM選擇性激光熔化、DMLS直接金屬激光燒結(jié)、FDM熔融沉積成型、聚合物噴墨技術(shù)、DLP數(shù)字光處理等。實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目采用的是FDM熔融沉積成型技術(shù)。

《山西省3D打印輔助制造技術(shù)實(shí)驗(yàn)室》是山西省省屬科研院所技術(shù)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目，由山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院承擔(dān)完成，3D打印快速成型系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的重要組成部分。

1 3D打印成型技術(shù)的必要性及其作用

長(zhǎng)期以來(lái)，由于農(nóng)業(yè)機(jī)械工作對(duì)象的復(fù)雜性，在科研、開(kāi)發(fā)過(guò)程中，有些工裝模具形狀復(fù)雜，如水泵葉輪的模具制造、播種機(jī)的排種器和排種箱、開(kāi)溝器、復(fù)雜曲面零部件模具加工等。這種原型的制作非常麻煩，往往需要先開(kāi)模具，然后再做出樣品。而運(yùn)用3D打印輔助制造技術(shù)，無(wú)需開(kāi)模，就可以制造出來(lái)，而且也降低了制造成本。比如一些好的設(shè)計(jì)理念，無(wú)論其結(jié)構(gòu)和工藝多么復(fù)雜，均可利用3D打印技術(shù)，在短時(shí)間內(nèi)制造出來(lái)，從而極大地提高了新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，有效地克服了我國(guó)農(nóng)機(jī)工業(yè)設(shè)計(jì)能力薄弱的問(wèn)題[4-5]。

利用一臺(tái)3D打印機(jī)，可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)制成產(chǎn)品的實(shí)體模型。通過(guò)制作產(chǎn)品實(shí)體模型已經(jīng)節(jié)省了大量的時(shí)間和資金，提高了經(jīng)濟(jì)效益。產(chǎn)品實(shí)體模型能夠在投入生產(chǎn)之前看到，并且在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期階段，可以找出整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的設(shè)計(jì)缺陷，從而進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

針對(duì)農(nóng)機(jī)行業(yè)新的發(fā)展需求，農(nóng)機(jī)制造需要重點(diǎn)推動(dòng)數(shù)字化和信息化技術(shù)來(lái)提升農(nóng)機(jī)工業(yè)的技術(shù)水平，提升產(chǎn)品的檔次和穩(wěn)定性，從而推進(jìn)行業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級(jí)，促進(jìn)產(chǎn)、學(xué)、研、用結(jié)合，提升生產(chǎn)效率，推廣各種新型的工藝、材料、設(shè)備和技術(shù)，促進(jìn)人才培養(yǎng)和業(yè)內(nèi)交流，解決業(yè)內(nèi)共性問(wèn)題。

綜上所述，項(xiàng)目從市場(chǎng)需求、技術(shù)保證、國(guó)家政策支持以及環(huán)保節(jié)能等方面來(lái)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，完全具備建設(shè)的可行性。

2 3D打印輔助制造技術(shù)研究開(kāi)發(fā)的主要內(nèi)容

2.1 主要內(nèi)容

山西省3D打印輔助制造技術(shù)實(shí)驗(yàn)室主要是采用FDM熔積成型三維打印技術(shù)來(lái)完成作業(yè)，其基本原理是疊層制造。FDM熔融層積成型技術(shù)是目前常用的3D打印技術(shù)之一。FDM技術(shù)成型工藝干凈、易于操作、不產(chǎn)生垃圾，適用于農(nóng)機(jī)行業(yè)的單件試制以及模具新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)等基于數(shù)字成像技術(shù)的三維實(shí)體模型制造，從而降低了制造成本。

FDM技術(shù)是由Stratasys公司所設(shè)計(jì)與制造，F(xiàn)DM技術(shù)利用ABS，Polycarbonate（PC），Polyphenylsulfone（PPSF）以及其他材料。這些熱塑性材料受到擠壓成為半熔融狀態(tài)的細(xì)絲，由沉積在層層堆?；A(chǔ)上的方式，從3D CAD資料直接建構(gòu)原型。該技術(shù)通常應(yīng)用于塑型、裝配、功能性測(cè)試和概念設(shè)計(jì)。此外，F(xiàn)DM技術(shù)可以應(yīng)用于打樣與快速制造。

該成型設(shè)備HTS-400高精度快速成型制作系統(tǒng)（3D打印系統(tǒng)）材料為ABS塑料絲，其強(qiáng)度可以達(dá)到注塑ABS成型強(qiáng)度的80%左右。而其他耐熱性與抗化學(xué)性，也是接近于注塑成型的工件，ABS既具有PC樹(shù)脂的優(yōu)良耐熱耐候性和耐沖擊性能，又具有ABS樹(shù)脂優(yōu)良的加工流動(dòng)性。所以，應(yīng)用在薄壁及復(fù)雜形狀制品，能保持其優(yōu)異的性能。因此，在FDM熔積成型技術(shù)制造中得到了廣泛的應(yīng)用。

然而，在基于FDM原理的打印情況中打印一些較大模型時(shí)，可能會(huì)有即使在打印一開(kāi)始打印的第1層是可以成功黏在打印平臺(tái)上的，但是過(guò)了一段時(shí)間底層就會(huì)開(kāi)始翹邊或變形。這種情況是很常見(jiàn)的，也是ABS材料使用的一種弊病。

2.2 系統(tǒng)組成及主要功能

在實(shí)驗(yàn)室條件下快速完成以下流程：樣機(jī)零部件實(shí)體設(shè)計(jì)→輸入計(jì)算機(jī)→3D打印實(shí)體成型，取代了原來(lái)制作模具中鑄塑、鑄造、沖壓等復(fù)雜過(guò)程，縮短產(chǎn)品研制周期，極大地促進(jìn)了新產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)室建筑面積需60 m2，實(shí)驗(yàn)室由三維實(shí)體設(shè)計(jì)電腦自動(dòng)控制試驗(yàn)臺(tái)和3D打印輔助設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架2大部分組成，其主要功能如下：

（1）建模。首先通過(guò)電腦創(chuàng)建一個(gè)三維設(shè)計(jì)圖（通常是SLT或CAD文件），由科研人員通過(guò)三維實(shí)體設(shè)計(jì)軟件繪制而成，然后再通過(guò)軟件對(duì)該圖像進(jìn)行識(shí)別處理而形成三維圖。

（2）導(dǎo)出代碼文件。把繪制成三維圖的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出STL文件，然后使用專業(yè)切片軟件把數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換成3D打印機(jī)能讀取的G代碼文件。

將所設(shè)計(jì)的CAD立體模型數(shù)據(jù)進(jìn)行“切片”處理，該成型設(shè)備HTS-400高精度快速成型制作系統(tǒng)（3D打印系統(tǒng)）采用成卷的ABS塑料絲作為材料，工作時(shí)將ABS塑料絲提供給擠壓噴嘴，噴嘴加熱融化材料，并在計(jì)算機(jī)輔助制造軟件的控制以及步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，沿水平方向和垂直方向移動(dòng)逐層堆積，并迅速硬化。打印完成后，去掉固定在零件或模型外部的支撐材料即可。

傳統(tǒng)的制造設(shè)備功能較少，制作出的形狀種類(lèi)有限。而3D打印機(jī)可以打印許多形狀，它可以每次都做出不同形狀的物品。省去了制作模具這一步驟，既節(jié)約時(shí)間又節(jié)約成本，所制作出來(lái)的實(shí)物更加精確。

機(jī)器生產(chǎn)出相同的零部件，需要人工來(lái)組裝完成。產(chǎn)品組成部件越多，組裝耗費(fèi)的時(shí)間和成本就越多。而通過(guò)3D打印輔助制造技術(shù)無(wú)需組裝，既節(jié)省勞動(dòng)力又節(jié)省其他費(fèi)用。由于3D打印是逐層打印的技術(shù)，所以可以完成多軸數(shù)控機(jī)床都完成不了的復(fù)雜成型。在農(nóng)機(jī)工業(yè)制造領(lǐng)域，3D打印輔助制造技術(shù)一定會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。

2.3 主要生產(chǎn)（作業(yè)）工藝流程

3D打印生產(chǎn)過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 3D打印生產(chǎn)過(guò)程

2.4 主要參數(shù)

成型件尺寸：360 mm×320 mm×400 mm；

成型件精度：±0.2/100 mm；

加工速度：20~65 cm3/h；

文件輸入格式：STL格式；

電源：220 V，50 Hz，最大電流6 A；

成型材料：ABS塑料絲。

《山西省3D打印輔助制造技術(shù)實(shí)驗(yàn)室》項(xiàng)目的建成，實(shí)現(xiàn)了由主要在田間試驗(yàn)完成改為田間與室內(nèi)相結(jié)合完成的農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)思路，必將縮短試驗(yàn)周期，從而提高科技成果的理論水平。同時(shí)，促進(jìn)農(nóng)機(jī)行業(yè)與其他實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展廣泛的交流，使山西省農(nóng)機(jī)制造研究水平整體邁向一個(gè)新臺(tái)階。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)形狀復(fù)雜不同的零部件進(jìn)行三維實(shí)體設(shè)計(jì)并進(jìn)行打印，從試驗(yàn)的結(jié)果分析情況來(lái)看，3D打印輔助制造技術(shù)性能穩(wěn)定、效果良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)全部要求。

如果說(shuō)前2年是傳統(tǒng)制造業(yè)的寒冬，那么現(xiàn)在就是制造業(yè)逐漸明媚的春天，唯有最高效的把握時(shí)代發(fā)展機(jī)遇，從制造走向“智”造，傳統(tǒng)制造業(yè)方能真正走出寒冬的思維禁錮，如今3D打印技術(shù)日趨成熟，希望制造業(yè)能借“東風(fēng)”，開(kāi)創(chuàng)全新的制造時(shí)代。

山西省3D打印輔助制造技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的建成，大大加強(qiáng)了山西省農(nóng)機(jī)科研的基礎(chǔ)設(shè)施，進(jìn)一步完善了設(shè)計(jì)和研究手段，有效穩(wěn)定了科研技術(shù)隊(duì)伍，提高了研究水平、學(xué)術(shù)水平和成果品質(zhì)。實(shí)驗(yàn)室從單純?yōu)榭蒲蟹?wù)逐步向科研、開(kāi)發(fā)和技術(shù)服務(wù)協(xié)調(diào)發(fā)展方向轉(zhuǎn)變，該實(shí)驗(yàn)室的建成必將成為山西省農(nóng)機(jī)科研生產(chǎn)企業(yè)、農(nóng)機(jī)專家學(xué)者開(kāi)展研究工作的重要場(chǎng)所。

[1]劉海濤.光固化三維打印成型材料的研究與應(yīng)用[D].武漢：華中科技大學(xué)，2009.

[2]張宇，汪禮俊.3D打印引爆智能制造升級(jí)[J].上海信息化，2014（6）：20-24.

[3]梁霄.結(jié)合數(shù)字技術(shù)的雕塑藝術(shù)創(chuàng)作方法研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2014.

[4]張一峰.國(guó)內(nèi)外播種機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析[J].當(dāng)代農(nóng)機(jī)，2015（5）：79-80.

[5]張金鳳.帶分流葉片離心泵全流場(chǎng)數(shù)值預(yù)報(bào)和設(shè)計(jì)方法研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2007.◇

Application of 3D Printing Aided Manufacturing Technology in Agricultural Machinery Design

ZHANG Yifeng
（Shanxi Academy of AgriculturalMechanization，Taiyuan，Shanxi030031，China）

The necessity of thismanufacturing technology 3D printing auxiliary in agriculturalmachinery design，and themain contentof research and development laboratory and itsmain function，elaborated themanufacturing technology of 3D printing auxiliary in the role of agriculturalmachinery design.The results show that the 3D printing aided manufacturing technology can effectively reduce the number of test and test cycle，increase its market competitiveness，and overcome the weakness of China's agriculturalmachinery industry design capacity.

3D printing；manufacturing technology；design；application

TP334

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.04.022

1671-9646（2017）04a-0069-02

2017-02-15

山西省3D打印輔助制造技術(shù)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（晉財(cái)教[2013]72號(hào)）。

張一峰（1963—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械、畜牧機(jī)械。