王亞平

（山西省呂梁市離石區(qū)中小企業(yè)服務(wù)中心，山西 呂梁 033000）

在工業(yè)制造過程中，熔模鑄造工藝能夠發(fā)揮重要的作用，可以用來制作形狀復(fù)雜的零部件。結(jié)合增材制造技術(shù)與熔模鑄造工藝，并應(yīng)用在農(nóng)機生產(chǎn)工作中，可充分發(fā)揮兩種不同工藝的優(yōu)勢，有利于提升農(nóng)機設(shè)備的產(chǎn)品質(zhì)量，因此分析增材制造技術(shù)在農(nóng)機熔模鑄造工藝中的有效應(yīng)用具有重要意義。

1 增材制造技術(shù)

1.1 概念

增材制造技術(shù)包含計算機輔助設(shè)計技術(shù)、材料加工與成型技術(shù)，同時需要將數(shù)字模型文件作為技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，再借助數(shù)控系統(tǒng)和軟件將專用的金屬、非金屬或是醫(yī)用生物材料，采用熔融、收集、擠壓、噴射、光固化等形式進行逐層堆積，從而制造出實際的物品。該項技術(shù)也可稱為3D打印技術(shù)。相較于傳統(tǒng)的加工處理模式，增材制造技術(shù)主要通過累積材料的形式制造物品，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造方面呈現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢[1]。

1.2 優(yōu)勢

在應(yīng)用增材制造技術(shù)的過程中，不需要傳統(tǒng)形式的夾具、刀具以及多項工序，只需使用一臺設(shè)備，即可快速且精密地制造出各種形狀復(fù)雜的零部件，基本可以實現(xiàn)零部件的“制造自由”。不僅可以大幅度降低復(fù)雜零部件的成形難度，還大幅度減少了零部件的加工工序，顯著縮短了加工周期，并且從實際來看，零部件的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，增材制造技術(shù)的優(yōu)勢越顯著[2]。

1.2.1 產(chǎn)品精度高

因為增材制造技術(shù)需要粉末顆粒堆積及黏結(jié)使物品成型，所以其成型精度較高，如果對產(chǎn)品表面光潔度要求較高，則適合使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)。

1.2.2 成型速度快

采用增材制造技術(shù)可以直接將計算機中的三維模型打印成實體的零部件或是模型，不需制造模具，所以生產(chǎn)制造工作的環(huán)節(jié)較少，也就可以縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，并提升生產(chǎn)效率[3]。并且，三維模型的成型時間僅為數(shù)小時，相關(guān)的研發(fā)人員以及設(shè)計人員可以在較短的時間內(nèi)，使圖紙中的內(nèi)容呈現(xiàn)為實體模型。

1.2.3 節(jié)省材料

采用增材制造技術(shù)能夠直接打印實物，不需要進行去除邊角料一類的操作，也就可以有效提升材料利用率。例如在冷酚醛樹脂打印機應(yīng)用過程中，打印時未成型的砂子，即能夠經(jīng)過篩選機之后重新被利用。

1.2.4 制造方便

應(yīng)用增材制造技術(shù)時，不需選擇固定的生產(chǎn)車間，也不需集中生產(chǎn)時間，而是可以采用更加便捷的分布式生產(chǎn)模式，并且增材制造技術(shù)相應(yīng)的設(shè)備移動較為便捷，部分設(shè)備還可用來制作大于自身體積的零件[4]。

1.3 典型工藝

增材制造技術(shù)包含多項現(xiàn)代化的工藝，隨著各項技術(shù)的不斷發(fā)展，增材制造技術(shù)的應(yīng)用效果不斷提升。根據(jù)能源類型分類，其可分為“激光成型” “非激光成型”兩個類別；根據(jù)成型材料形態(tài)分類，其可分為“金屬粉末” “薄材” “絲材” “液態(tài)” “非金屬粉末”五個類別。當(dāng)前應(yīng)用頻率較高的五類增材制造技術(shù)分別為：選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、光固化成型技術(shù)、熔融沉積制造技術(shù)、三維印刷技術(shù)、分層實體制造技術(shù)[5]。

1.3.1 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)以激光束作為能量源，首先應(yīng)在打印平臺上均勻鋪設(shè)打印材料，之后使用激光束根據(jù)由計算機軟件導(dǎo)出的輪廓以及路徑，在指定區(qū)域開展掃描工作，同時熔融處理粉末材料。粉末材料在燒結(jié)以后形成燒結(jié)層，經(jīng)過逐層燒結(jié)處理之后，即能夠構(gòu)成零部件整體[6]。可以應(yīng)用于該項技術(shù)之中的打印材料較多，例如石蠟、陶瓷粉末、金屬粉末以及高分子材料等，且所需的能量源均為激光束。但是各項打印材料可以呈現(xiàn)出不同的形態(tài)，例如光敏樹脂為液態(tài)，金屬材料和非金屬材料多為粉末狀態(tài)。

1.3.2 光固化成型技術(shù)

光固化成型技術(shù)又稱為立體光刻成型技術(shù)。運用該項技術(shù)需要以光敏樹脂為原材料，通過計算機軟件控制，將紫外線激光束作為能量源，針對不同分成截面形狀軌跡逐點掃描，經(jīng)過掃描的光敏樹脂層則能夠出現(xiàn)光聚合反應(yīng)，并逐漸固化，之后即能夠在零件上形成薄層截面。每一層成型之后，打印平臺均能夠向下移動，移動幅度為一層的厚度，之后針對已經(jīng)成型的光敏樹脂表面繼續(xù)鋪設(shè)光敏樹脂，再繼續(xù)上述操作。在新一層光敏樹脂與上一層光敏樹脂完全固化黏結(jié)之后，即為一次成型操作完成，反復(fù)如此，便可逐步打印出零件。當(dāng)前光固化成型技術(shù)已經(jīng)基本處于成熟狀態(tài)，尺寸精度相對較高，每一層的厚度通常在0.05 mm～0.15 mm，可以高效加工以傳統(tǒng)加工形式難以有效加工的復(fù)雜零部件，但也存在一定程度的局限性，例如需要在其中添加一定程度的支撐，且因為材料為樹脂，所以可能出現(xiàn)疏松情況。

1.3.3 熔融沉積制造技術(shù)

熔融沉積制造技術(shù)又稱為容積擠出成型技術(shù)，需要應(yīng)用尼龍或石蠟一類的熱塑性塑料作為打印材料。首先將其加熱，直至材料處于固液混合狀態(tài)，之后通過計算機控制，于打印平臺上逐層打印固液混合薄片層，通過薄片層的逐層堆積，即能夠逐漸構(gòu)成完整的零部件。在打印產(chǎn)品的過程中，每一層薄片均需其上一層薄片為其提供支持，對于鏤空的位置，則需要另外增加一個支撐部分。應(yīng)用該項技術(shù)的最大優(yōu)勢即不需要應(yīng)用激光束，且設(shè)備造價相對較低，特別是如果選擇使用蠟作為打印材料，還可直接將已經(jīng)成型的零部件應(yīng)用于鑄模制造工作當(dāng)中[7]。

1.3.4 三維印刷技術(shù)

三維印刷技術(shù)的使用原理與噴墨打印機原理具有一定的相似性。首先需要在打印平臺上鋪設(shè)粉末材料，之后根據(jù)計算機軟件既定的路徑，使用噴頭噴射液態(tài)黏結(jié)劑，噴射結(jié)束之后，在黏結(jié)劑上方再次鋪設(shè)粉末材料，并繼續(xù)重復(fù)上述步驟，直至零部件整體打印完成。在黏結(jié)劑固化以后，將多余粉末去除即可。在應(yīng)用該項技術(shù)的過程中，打印材料通常為高分子材料或是其他類型的粉漿。在打印工作完成之后，應(yīng)將零部件置于打印成型箱之中進行保溫處理，或是置于加熱爐中合理加熱，以進一步提升其黏結(jié)劑的固化效果，同時也有利于提升零部件自身的強度。從實際來看，該項技術(shù)的優(yōu)勢主要在于操作過程便捷、操作過程清潔度較高、可應(yīng)用的打印材料類型較多、不需進行支撐、可將多余材料回收利用等；缺點則在于表面粗糙度以及精度不足，不適合應(yīng)用在細節(jié)較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁零部件加工工作中[8]。

1.3.5 分層實體制造技術(shù)

分層實體制造技術(shù)的主要能量源為加熱輥以及激光器，可以應(yīng)用于其中的打印原料主要包括金屬帶、塑料袋以及單面涂有熱熔膠的紙張等。其中的成型原理如下：根據(jù)已經(jīng)分層切片的二維模型，可以確認(rèn)需要打印的內(nèi)外輪廓，之后使用激光器切割處理帶狀材料，同時使用加熱輥加熱熱熔膠紙，使經(jīng)過切割的片層能夠與上一片層有效黏結(jié)，并數(shù)次循環(huán)上述步驟，直至零部件打印工作完成。應(yīng)用分層實體制造技術(shù)的優(yōu)點是制作精度較高，原材料之中少量的黏結(jié)劑自固態(tài)轉(zhuǎn)換成為熔融態(tài)之后，紙材仍然處于原本的狀態(tài)，且成型的零部件具有較強的機加工性能以及較高的強度，同時成型速度較快，并不需要添加支撐；缺點是不可直接成型塑料零件，不可成型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的零件，零件彈性以及抗拉強度不足。

2 增材制造技術(shù)在農(nóng)機熔模鑄造工藝中的應(yīng)用

2.1 制造過程

以上闡述的各項技術(shù)均具有不同的優(yōu)勢，在本次研究之中，主要應(yīng)用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)進行農(nóng)機發(fā)動機葉輪的熔模鑄造工作。

選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)首先需要接收農(nóng)機發(fā)動機葉輪的CAD 模型，根據(jù)實際情況選擇相應(yīng)的格式。本次研究應(yīng)用STL 格式，為了構(gòu)建三維實體表面，需要應(yīng)用大量的三角形面片逐漸圍成模型實體，形成一個基本等同于理想狀態(tài)部件的模型。在系統(tǒng)接收到實體CAD 模型之后，應(yīng)用專門的切片軟件，針對模型進行縱向切片[9]。

在切片操作過程中，切片平面必須具有一定的高度，之后與模型求交，獲得模型與平面之間的交線。此交線即為零件層面的邊界，針對由該邊界所構(gòu)成的封閉區(qū)域，借助切片軟件，使用直線段將其填滿，所獲得的即為模型的一個層面，如圖1 所示。其中各線段之間的距離，即為進行激光掃描所產(chǎn)生的間隔；填充線段，即為掃描線。

圖1 模型層面

在獲取到模型層面之后，使用計算機控制系統(tǒng)激光束，以其中的掃描線為基準(zhǔn)，燒結(jié)處理相應(yīng)位置的石蠟粉末材料，即能夠獲得一個層面的蠟?zāi)?。完成一層燒結(jié)工作之后，工作臺向下方移動，移動幅度即為一層的厚度，之后重復(fù)上述步驟，直至熔模燒結(jié)完成。

2.2 注意事項

2.2.1 控制造型精度

在應(yīng)用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)進行熔模鑄造工作的過程中，需要應(yīng)用STL格式的CAD模型構(gòu)建近似理想狀態(tài)的模型，模型與理想狀態(tài)之間的差異，即為造型誤差。理論上，模型中應(yīng)用的三角形面片越多，造型誤差越小，模型精密度越高，但是過多的三角形面片會使數(shù)據(jù)處理工作的效率下降，所以需要注意控制造型精度。

2.2.2 控制掃描間隔和切片厚度

在選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的過程中，鑄造熔模的表面質(zhì)量以及精度均受到切片厚度以及掃描間隔的影響，其中的厚度及間隔越大，在制造時能夠呈現(xiàn)出更顯著的臺階效應(yīng)，熔模的形狀及精度也就越不理想，同時表面質(zhì)量不佳，如圖2 所示。但是，縮減層厚就必然增加層數(shù)，雖然可以起到提升精度和優(yōu)化形狀的作用，但是掃描間隔減小，掃描次數(shù)增加，生產(chǎn)效率也會受到影響。

圖2 臺階效應(yīng)示意

3 增材制造技術(shù)在農(nóng)機熔模鑄造工藝應(yīng)用中的不足

在農(nóng)機零部件生產(chǎn)制造工作過程中，應(yīng)用增材制造技術(shù)存在諸多不足之處：1）能應(yīng)用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的零部件均具有尺寸較小的特點，而生產(chǎn)大尺寸部件，傳統(tǒng)形式的模樣制造工藝更具優(yōu)勢；2）在應(yīng)用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的過程中，不但需要應(yīng)用高能激光術(shù)，而且對生產(chǎn)環(huán)境溫度較高，易導(dǎo)致部件出現(xiàn)變形或者產(chǎn)生內(nèi)部缺陷，而關(guān)于部件的性能檢測方法，當(dāng)前尚不明確；3）增材制造技術(shù)所需的部分設(shè)備價格較為昂貴，例如光敏樹脂一類的原材料，所以該項技術(shù)當(dāng)前尚不能得到十分廣泛的應(yīng)用；4）在應(yīng)用增材制造技術(shù)打印部分高分子材料的過程中，有可能導(dǎo)致有害物質(zhì)產(chǎn)生，并使環(huán)境受到不良影響。

4 結(jié)語

當(dāng)前我國正在積極推廣智能制造，增材制造技術(shù)必然會得到更加良好的發(fā)展，且其與熔模制造技術(shù)結(jié)合也是大勢所趨，可以使制造精度更高、生產(chǎn)時間更短、操作難度更小，有效彌補傳統(tǒng)形式的生產(chǎn)制造中存在的不足。在農(nóng)機部件熔模制造工作中，將增材制造技術(shù)應(yīng)用于其中，能夠使農(nóng)機零部件的生產(chǎn)效率更高，質(zhì)量更好[10]。當(dāng)前國家對增材制造技術(shù)的投入越來越多，各個行業(yè)對該項技術(shù)的認(rèn)知也不斷深化，也就使增材制造技術(shù)成為一項發(fā)展?jié)摿κ愕纳a(chǎn)技術(shù)，其能夠與熔模制造相輔相成、相互促進，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢。另外，在應(yīng)用增材制造技術(shù)生產(chǎn)農(nóng)機零部件的過程中，主要是應(yīng)用各項數(shù)控技術(shù)，以實現(xiàn)農(nóng)機零部件的生產(chǎn)一體化。由此，可以推動我國農(nóng)業(yè)得到進一步發(fā)展，并更加有效地推動農(nóng)業(yè)科技化和現(xiàn)代化發(fā)展，同時提升我國整體經(jīng)濟水平。