【關(guān)鍵詞】3D打印增材制造技術(shù)；機(jī)械制造；應(yīng)用

引言

機(jī)械制造作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要支柱產(chǎn)業(yè)，在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和增強(qiáng)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的機(jī)械制造工藝經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)的發(fā)展歷程，雖然取得了令人矚目的成績(jī)，但是面對(duì)復(fù)雜零部件制造的個(gè)性化定制要求，也漸漸顯露出許多局限性。3D打印增材制造技術(shù)是新興的制造技術(shù)之一，由于其逐層累加材料這一特殊的制造方式打破了傳統(tǒng)制造過(guò)程中的局限性，給機(jī)械制造行業(yè)帶來(lái)了全新的發(fā)展契機(jī)。深入研究3D打印增材制造技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用，對(duì)于提高機(jī)械制造效率，降低生產(chǎn)成本和促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量等方面都有著十分重要的意義。

一、3D打印增材制造技術(shù)概述

（一）技術(shù)原理

3D打印增材制造技術(shù)是建立在離散堆積原理基礎(chǔ)上的。首先，通過(guò)使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件來(lái)創(chuàng)建產(chǎn)品的三維模型，設(shè)計(jì)師可以采用參數(shù)化設(shè)計(jì)和逆向工程等方法來(lái)精確創(chuàng)建復(fù)雜的產(chǎn)品模型。在搭建好產(chǎn)品模型之后，對(duì)模型按一定的厚度切片，產(chǎn)生一系列的二維截面數(shù)據(jù)。切片厚度選擇對(duì)打印精度和效率有直接的影響，需要根據(jù)產(chǎn)品要求進(jìn)行合理設(shè)置。

隨后，3D打印設(shè)備依托這些二維數(shù)據(jù)，采用熔融沉積、光固化和粉末燒結(jié)等具體物料添加方式，逐層累加物料，最終構(gòu)建出三維實(shí)體產(chǎn)品。以熔融沉積建模技術(shù)為例，該技術(shù)通過(guò)加熱噴頭將絲狀材料（如塑料、金屬絲等）加熱至熔融狀態(tài)，噴頭在數(shù)控系統(tǒng)的精確控制下，按預(yù)設(shè)路徑對(duì)物料進(jìn)行擠壓和逐層堆積處理，通過(guò)逐層疊加的方式構(gòu)造三維物體。在光固化成型這一技術(shù)應(yīng)用中，液態(tài)光敏樹(shù)脂通過(guò)紫外光的照射實(shí)現(xiàn)逐層固化，從而能夠生產(chǎn)出具有高精度和優(yōu)良表面質(zhì)量的部件[1]。

（二）技術(shù)特點(diǎn)

1.設(shè)計(jì)自由度高

3D打印增材制造技術(shù)擺脫了傳統(tǒng)制造過(guò)程中模具、加工工藝等因素的束縛，可以快速地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何形狀的零部件制造。設(shè)計(jì)師可以根據(jù)產(chǎn)品的功能需求自由地對(duì)零部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如晶格結(jié)構(gòu)、薄壁結(jié)構(gòu)、仿生結(jié)構(gòu)等，這些都是傳統(tǒng)制造工藝中很難實(shí)現(xiàn)或非常昂貴的。以航空航天領(lǐng)域?yàn)槔?，可以設(shè)計(jì)出輕量化晶格結(jié)構(gòu)零部件來(lái)降低重量和改善飛行器性能，同時(shí)確保飛行強(qiáng)度。

2.個(gè)性化定制能力強(qiáng)

這種技術(shù)能夠根據(jù)不同顧客的個(gè)性化需求迅速調(diào)整產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。無(wú)需像傳統(tǒng)制造那樣，為每個(gè)個(gè)性化產(chǎn)品重新開(kāi)?；蛘{(diào)整生產(chǎn)線，從而大大縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低了個(gè)性化定制成本，尤其適用于小批量、多品種的生產(chǎn)需求。比如在醫(yī)療器械制造方面，可以給病人量身打造個(gè)性化植入物以改善治療效果，提升病人舒適度。

3.材料利用率高

區(qū)別于傳統(tǒng)機(jī)械加工“減材制造”模式，3D打印增材制造技術(shù)基于產(chǎn)品模型層層積料，制造時(shí)基本沒(méi)有多余廢料，材料的使用效率可以超過(guò)90%，這大大減少了材料的成本，并與可持續(xù)發(fā)展的理念相契合。以金屬加工為例，傳統(tǒng)的加工方式會(huì)生產(chǎn)出大量的邊角料，通過(guò)3D打印可以準(zhǔn)確地控制物料的使用情況，避免資源浪費(fèi)。

4.生產(chǎn)周期短

3D打印增材制造技術(shù)不需要繁雜的工裝夾具準(zhǔn)備及多道加工工序，由設(shè)計(jì)模型向?qū)嶓w產(chǎn)品轉(zhuǎn)換的流程簡(jiǎn)單而直接。對(duì)于某些復(fù)雜零部件來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)制造也許要幾個(gè)星期甚至幾個(gè)月的時(shí)間，3D打印只需幾個(gè)小時(shí)到幾天的時(shí)間，極大地縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)的周期，加快了企業(yè)響應(yīng)市場(chǎng)的速度。在新產(chǎn)品的研發(fā)階段，可以迅速地制造出用于測(cè)試與優(yōu)化的樣機(jī)，從而加快產(chǎn)品的上市時(shí)間[2]。

二、3D打印增材制造技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

（一）復(fù)雜零部件制造

在機(jī)械制造過(guò)程中有大量外形復(fù)雜、用傳統(tǒng)加工工藝很難生產(chǎn)出來(lái)的零部件。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片為例，渦輪葉片內(nèi)部冷卻通道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目的是提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率及可靠性。利用3D打印增材制造技術(shù)可以直接按照設(shè)計(jì)模型層層堆疊金屬材料，準(zhǔn)確地制造內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的渦輪葉片，不需要經(jīng)過(guò)煩瑣的機(jī)械加工與裝配，極大地提高了制造精度與效率。打印時(shí)通過(guò)對(duì)激光能量和掃描速度的準(zhǔn)確控制來(lái)保證材料冶金結(jié)合質(zhì)量和增強(qiáng)葉片性能。另外，在汽車生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于那些具有復(fù)雜曲面的部件，利用3D打印技術(shù)也能達(dá)到高效生產(chǎn)的目的，從而提高產(chǎn)品的整體性能。采用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)和3D打印相結(jié)合的方法，可以制造輕量化和高性能汽車零部件以減輕整車重量并改善燃油經(jīng)濟(jì)性[3]。

（二）模具制造

模具被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造當(dāng)中，而傳統(tǒng)的模具制造工藝復(fù)雜，周期長(zhǎng)，成本較高。3D打印增材制造技術(shù)給模具制造提供了一種全新的生產(chǎn)方式。一方面可以直接印刷模具：采用3D打印的方式進(jìn)行模具制造，可以將隨形冷卻水道設(shè)計(jì)到模具內(nèi)，使得注塑或者壓鑄時(shí)的模具實(shí)現(xiàn)更加均勻的降溫，縮短了產(chǎn)品成型周期，降低了產(chǎn)品變形量并提高了產(chǎn)品質(zhì)量。采用仿真軟件對(duì)冷卻過(guò)程進(jìn)行仿真，并對(duì)隨形冷卻水道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)以進(jìn)一步提高冷卻效果。另一方面，針對(duì)某些外形復(fù)雜、脫模困難的模具，可以通過(guò)3D打印的方式制作出可溶解型芯并在制品成型后型芯被溶解取出，從而解決了脫模困難的問(wèn)題，提高了模具制作的靈活性及效率。為了確保產(chǎn)品成型后的型芯能夠迅速且完全地溶解，需要選擇適當(dāng)?shù)目扇芙馕镔|(zhì)，例如特定的塑料或鹽[4]。

（三）零部件修復(fù)與再制造

機(jī)械零部件經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，不可避免地會(huì)發(fā)生磨損、腐蝕或其他被破壞的情況。傳統(tǒng)修復(fù)方法常受修復(fù)工藝、材料匹配性等因素制約，修復(fù)效果差、費(fèi)用高。3D打印增材制造技術(shù)是解決零部件修復(fù)和再制造問(wèn)題的一種高效的方案。通過(guò)三維掃描受損零部件，得到它們的三維模型，再運(yùn)用3D打印技術(shù)基于模型準(zhǔn)確修復(fù)受損部位。比如，對(duì)于磨損后的機(jī)械軸類零件可以利用3D打印技術(shù)將材料加入到磨損處，使其恢復(fù)到原來(lái)的大小及形狀；對(duì)腐蝕后的金屬零部件可以利用金屬3D打印技術(shù)在其損壞表面上打印出一層耐腐蝕材料來(lái)對(duì)零部件進(jìn)行維修和再制造，從而提高零部件的使用壽命，減少設(shè)備維護(hù)成本。修復(fù)過(guò)程中，選用與原有零部件材料相匹配的打印材料，進(jìn)行熱處理及其他后處理工藝以確保修復(fù)部位和原件性能的一致性。

（四）產(chǎn)品研發(fā)與創(chuàng)新

在機(jī)械產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)階段，原型的快速制造對(duì)于驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路和產(chǎn)品性能的優(yōu)化具有重要意義。3D打印增材制造技術(shù)可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上快速做出產(chǎn)品原型，有利于設(shè)計(jì)師對(duì)產(chǎn)品外觀及結(jié)構(gòu)的直觀認(rèn)識(shí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的缺陷并加以優(yōu)化。同時(shí)，通過(guò)對(duì)不同設(shè)計(jì)方案產(chǎn)品原型的3D打印制作，可以對(duì)其性能測(cè)試及對(duì)比分析，從而加快產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)程。以新型機(jī)械設(shè)備開(kāi)發(fā)為例，采用3D打印技術(shù)迅速制作了多種零部件原型并組裝調(diào)試完成，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可顯著縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，推動(dòng)機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新發(fā)展。利用多材料3D打印技術(shù)，可以在同一個(gè)樣機(jī)上模擬各種材料的復(fù)合使用，從而給產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)帶來(lái)了更大的可能性[5]。

三、3D打印增材制造技術(shù)在機(jī)械制造應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)

（一）材料限制

當(dāng)前，3D打印增材制造技術(shù)能夠應(yīng)用的材料類型比較受限，大致有塑料、金屬和陶瓷幾大類別。就金屬材料而言，可應(yīng)用于3D打印中的金屬合金品種并不豐富，而且有些材料在強(qiáng)度和韌性上與傳統(tǒng)的鍛造和鑄造材料還有一定距離。就陶瓷材料而言，打印工藝的復(fù)雜性和高昂的成本制約著它的大范圍使用。另外，3D打印中不同物料的成型特性有很大區(qū)別，需根據(jù)不同物料制定特殊的打印工藝及設(shè)備參數(shù)，加大技術(shù)應(yīng)用難度。比如一些金屬材料在印刷過(guò)程中容易出現(xiàn)裂紋，這就需要通過(guò)對(duì)印刷參數(shù)的優(yōu)化和合金元素的加入來(lái)加以解決。

（二）制造成本較高

盡管3D打印增材制造技術(shù)在材料利用率方面具有優(yōu)勢(shì)，但總體制造成本仍然較高。一方面，3D打印設(shè)備成本較高，尤其是高精度金屬3D打印設(shè)備采購(gòu)成本動(dòng)輒幾百萬(wàn)乃至幾千萬(wàn)元，對(duì)很多中小企業(yè)而言都是一筆不小的投入。另一方面，3D打印材料價(jià)格比較昂貴，特別是某些特殊材料，比如高性能金屬材料和生物可降解材料。另外，3D打印過(guò)程能耗較高，這會(huì)導(dǎo)致制造成本進(jìn)一步增加。所以，降低裝備及材料成本、提高能源利用效率是促進(jìn)3D打印增材制造技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造的關(guān)鍵?？梢酝ㄟ^(guò)技術(shù)創(chuàng)新和規(guī)模化生產(chǎn)，在優(yōu)化打印工藝的前提下，減少設(shè)備及材料的成本并降低能耗。

（三）打印精度與質(zhì)量問(wèn)題

盡管3D打印技術(shù)的精度越來(lái)越高，但是離傳統(tǒng)機(jī)械加工對(duì)高精度的要求還有一定距離。打印過(guò)程中易因材料收縮、變形而使打印零件尺寸精度及表面質(zhì)量受影響。對(duì)于那些對(duì)精度和表面品質(zhì)有極高要求的機(jī)械部件，例如航空航天領(lǐng)域的精密部件，目前的3D打印技術(shù)還不能完全滿足這些要求。另外，3D打印零件內(nèi)部可能存在質(zhì)量缺陷，還需進(jìn)行深入研究才能保障零件運(yùn)行時(shí)的安全性與可靠性。通過(guò)改進(jìn)打印設(shè)備的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化打印路徑，來(lái)提高3D打印的精度與品質(zhì)。

（四）標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范不完善

當(dāng)前，機(jī)械制造領(lǐng)域中3D打印增材制造技術(shù)的應(yīng)用還缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。從材料性能標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)范到打印工藝標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，均需要進(jìn)一步提高。不同的企業(yè)和設(shè)備進(jìn)行3D打印時(shí)，因沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)而造成打印產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，很難做到互換性與通用性。另外，對(duì)于3D打印產(chǎn)品的認(rèn)證與監(jiān)管還存在一些空白點(diǎn)，這些空白點(diǎn)從某種程度上限制了3D打印增材制造技術(shù)的大范圍推廣。所以，需要加快有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的制定以及認(rèn)證與監(jiān)管體系的建設(shè)，從而推動(dòng)3D打印技術(shù)的規(guī)范化發(fā)展[6]。

四、3D打印增材制造技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用展望

（一）材料創(chuàng)新與多樣化

在材料科學(xué)日益發(fā)展的今天，3D打印增材制造技術(shù)所能應(yīng)用的材料類型也會(huì)越來(lái)越豐富和多樣化。一方面，需要研制出性能更加優(yōu)異的金屬、陶瓷和復(fù)合材料來(lái)滿足機(jī)械制造中對(duì)于材料性能提出的高需求。如研究開(kāi)發(fā)新型高溫合金材料來(lái)生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和其他在高溫環(huán)境中運(yùn)行的零部件，研制出具有自修復(fù)材料和智能材料等特殊作用的復(fù)合材料，這會(huì)給機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)帶來(lái)更大的可能。另一方面，需要降低材料成本，增強(qiáng)其可打印性與穩(wěn)定性，推動(dòng)3D打印材料的大范圍使用。通過(guò)對(duì)材料合成技術(shù)的革新和規(guī)?；a(chǎn)，達(dá)到降低材料成本、提高材料性能的目的。

（二）提升設(shè)備性能與降低成本

技術(shù)在進(jìn)步，3D打印設(shè)備也會(huì)越來(lái)越好。打印精度、速度以及可靠性都會(huì)得到進(jìn)一步提升，以滿足機(jī)械制造中高精度、高效率的要求。同時(shí)，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新、規(guī)?；a(chǎn)等手段，3D打印設(shè)備成本會(huì)逐步下降，從而更容易被中小企業(yè)所接受。另外，設(shè)備智能化程度也會(huì)越來(lái)越高，具有自動(dòng)校準(zhǔn)、故障診斷功能，減少了裝置操作難度及維護(hù)成本，且提高了裝置使用效率。

（三）與傳統(tǒng)制造技術(shù)融合發(fā)展

3D打印增材制造技術(shù)和傳統(tǒng)機(jī)械制造技術(shù)之間并不是互相取代的關(guān)系，而是一種互補(bǔ)和融合的關(guān)系。未來(lái)會(huì)形成增材制造和減材制造、等材制造復(fù)合制造模式。在產(chǎn)品制造時(shí)根據(jù)零部件特點(diǎn)及要求靈活地選用適當(dāng)?shù)闹圃旃に嚒?duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件首先利用3D打印技術(shù)將其基本外形制作出來(lái)，然后利用傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝對(duì)其表面進(jìn)行精加工以改善其精度及表面質(zhì)量；對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)零部件，選擇使用傳統(tǒng)的制造方法來(lái)提升生產(chǎn)效率。通過(guò)整合各種制造技術(shù)，達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，全面提升機(jī)械制造水平。

（四）標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范體系的完善

隨著3D打印增材制造技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械制造的日益深入，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系也會(huì)逐漸完善。從材料性能標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)范到打印工藝標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，都將形成一個(gè)完整而統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系，來(lái)保證3D打印產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定與互換性。與此同時(shí)，強(qiáng)化3D打印產(chǎn)品的認(rèn)證與監(jiān)督體系，建立相應(yīng)的法律法規(guī)以維護(hù)消費(fèi)者權(quán)益，從而推動(dòng)3D打印增材制造技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域健康有序地發(fā)展。

結(jié)語(yǔ)

3D打印增材制造技術(shù)因其特有的技術(shù)原理及顯著的優(yōu)點(diǎn)在機(jī)械制造領(lǐng)域顯示出了廣泛的應(yīng)用前景。通過(guò)將其運(yùn)用于復(fù)雜零部件制造、模具制造、零部件修復(fù)再制造及產(chǎn)品的研發(fā)創(chuàng)新中，可切實(shí)提升機(jī)械制造效率及質(zhì)量，促進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品制造的創(chuàng)新發(fā)展。但這一技術(shù)的應(yīng)用還面臨著材料限制、制造成本較高、打印精度和質(zhì)量有待提高、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不夠健全等方面的挑戰(zhàn)。今后，隨著3D打印技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系不斷完善，以及材料的革新和設(shè)備性能的改進(jìn)，并與傳統(tǒng)制造技術(shù)結(jié)合發(fā)展，3D打印增材制造技術(shù)必將在機(jī)械制造領(lǐng)域中發(fā)揮更重要的作用，給機(jī)械制造行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)帶來(lái)巨大的推動(dòng)力量，助力我國(guó)從制造大國(guó)走向制造強(qiáng)國(guó)。

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