增材制造技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械制造中的應用

孫健峰++朱卿創(chuàng)++楊洲++黃忠奎

摘要：介紹目前增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀和基本原理，分析我國農(nóng)機研發(fā)的特點，闡述光固化成型技術(shù)、選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)、直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)、熔融沉積技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械制造中的應用。采用熔融沉積技術(shù)制備全新外槽輪排肥器，搭建基于電子施肥控制器控制的施肥試驗平臺。試驗數(shù)據(jù)表明，基于熔融沉積的外槽輪排肥器的變異系數(shù)低于傳統(tǒng)排肥器。增材制造技術(shù)將改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機械設(shè)計的流程和思路，提高農(nóng)業(yè)機械的可靠性和服役時間，促進農(nóng)業(yè)機械制造水平的提高。

關(guān)鍵詞：增材制造；3D打印；農(nóng)業(yè)機械；應用

中圖分類號： TH164；S23文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0408-04

收稿日期：2016-01-28

基金項目：國家自然科學基金（編號：51505157）；廣東省自然科學基金（編號：2014A030313460、2015A030310330）；廣東省科技計劃（編號：2013B020501002）。

作者簡介：孫健峰（1983—），男，吉林長春人，博士，講師，主要從事農(nóng)業(yè)機械化研究。E-mail：sunjianfeng@scau.edu.cn。

通信作者：楊洲，博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機械化研究。E-mail：yangzhou@scau.edu.cn。增材制造（additive manufacturing）是以三維數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，由CAD模型驅(qū)動的一種制造方法，其特點是采用“加法”成型，通過先離散后疊加的思想成型零件[1]。隨著科學技術(shù)的發(fā)展及《中國制造2025》的提出，采用增材制造方法成型零件越來越受到人們的關(guān)注[2]。增材制造技術(shù)生產(chǎn)柔性大，加工響應時間短，單件小批量生產(chǎn)中無需開模，設(shè)計制造一體化集成度高，可直接成型零件，成型中不受傳統(tǒng)加工方法中夾持、切削方式的約束，可加工高脆性、高熔點、高硬度的材料，《經(jīng)濟學人》雜志認為，該技術(shù)將引起第3次工業(yè)革命。目前，增材制造技術(shù)已被廣泛應用于航空航天、汽車、醫(yī)療、模具、建筑等行業(yè)[3-4]。

1增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀

美國于2012年啟動并投資10億美元資助包括增材制造在內(nèi)的振興美國制造計劃，建立了ASTM F2792-12a[5]、ASTM F2915-12[6]、ASTM F2912-11[7]、ASTM F2924-12a[8]等一系列增材制造技術(shù)標準。英國于2011年開始增加增材制造研發(fā)經(jīng)費的投入，并在拉夫堡大學、諾丁漢大學、謝菲爾德大學、埃克塞特大學、曼徹斯特大學等相繼建立了增材制造研究中心。澳大利亞于2012年2月啟動了“微型發(fā)動機增材制造技術(shù)”項目，該項目使用增材制造技術(shù)制造航空微型發(fā)動機零部件，對增材制造技術(shù)在航空航天的應用起到推動作用。日本通過優(yōu)惠政策和大量資金鼓勵產(chǎn)學研用緊密結(jié)合，促進增材制造技術(shù)在日本的發(fā)展[4]。

我國于2012年成立了3D打印技術(shù)聯(lián)盟（增材制造），于2015年成立了中國工程學會增材制造（3D打?。┓謺?，參與的主要科研機構(gòu)有清華大學、北京航空航天大學、華中科技大學、華南理工大學、西北工業(yè)大學、西安交通大學等。 3D打印產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和增材制造分會的成立有利于盡快建立行業(yè)標準，加強行業(yè)與行業(yè)、行業(yè)與政府以及國際間的廣泛交流[4]。

2增材制造的基本原理

增材制造是將三維零件先離散后堆積的一種加工方法，其成型過程主要是通過被加工材料受到外界不同環(huán)境的影響（如受熱、受光）而發(fā)生物理或化學變化來實現(xiàn)的[9-11]，制造過程如下：（1）設(shè)計（三維制圖軟件）或通過逆向工程（三維掃描）等獲得所要加工產(chǎn)品的計算機三維模型。（2）根據(jù)工藝要求，將所建立的模型按一定規(guī)律在計算機中離散化，該過程也叫切片或分層，將原來的三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為平面數(shù)據(jù)。（3）將離散后的平面數(shù)據(jù)按一定規(guī)律進行累加成型，獲得實體零件。其原理見圖1。

3農(nóng)業(yè)機械研發(fā)的特點

3.1農(nóng)業(yè)機械特點

由于農(nóng)用機械受作物生長條件的約束，所有農(nóng)業(yè)機械均須進行田間試驗驗證。種植機械、植保機械、收獲機械均受到田間試驗季節(jié)的影響，每年的試驗時間是固定的，錯過試驗時間只能等待下一年，因此農(nóng)業(yè)機械的研究周期較長。農(nóng)業(yè)機械還受到作業(yè)過程中因素差異的影響，我國幅員遼闊，每個省的農(nóng)作物和農(nóng)藝均有明顯差別，同一作物在不同區(qū)域的農(nóng)藝也不完全相同，使得農(nóng)業(yè)機械研發(fā)具有種類繁多、通用性差、研發(fā)面廣、研發(fā)成本高等特點[12]。

3.2農(nóng)作物特點

與工業(yè)相比，農(nóng)業(yè)作物有其自身的特點。農(nóng)業(yè)作物的研究對象多為生物，種類繁多、個體差異明顯、性能差異大、物料規(guī)律性不強，多數(shù)生物受外界條件影響較大，不同降水量、施肥量可使同一作物在不同收獲年表現(xiàn)出差異。以柑橘為例，古語有“南橘北枳”的說法。

3.3農(nóng)業(yè)機械市場特點

中國農(nóng)業(yè)機械市場已經(jīng)成為中國機械行業(yè)的熱點市場，農(nóng)業(yè)已成為高回報率產(chǎn)業(yè)。從歐美、日韓等農(nóng)業(yè)發(fā)達國家引進的農(nóng)機不能完全適應我國農(nóng)業(yè)的需要，這些差異導致農(nóng)機研制具有復雜性和周期性[13]。目前，農(nóng)業(yè)、農(nóng)機的投資一直是資本市場中投資的熱點，但國內(nèi)的農(nóng)機企業(yè)高端技術(shù)研發(fā)能力較弱，國際農(nóng)機巨頭相繼在中國設(shè)廠，爭相占領(lǐng)中國市場，導致我國農(nóng)機市場的高端領(lǐng)域被國外農(nóng)機行業(yè)占領(lǐng)；中低端領(lǐng)域，尤其是低端領(lǐng)域的小農(nóng)機企業(yè)較多，惡性競爭嚴重，一味追求價格低廉導致產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)、農(nóng)機使用服役時間短、市場認可度低。盡快提高農(nóng)機的使用穩(wěn)定性和服役時間、盡快爭奪高端農(nóng)機市場已成為亟待解決的問題[14-15]。

4典型增材制造技術(shù)在農(nóng)機制造中的應用

4.1光固化成型技術(shù)（stereo lithography apparatus，SLA）

光固化成型是由Charles W. Hull于1984年獲得的美國專利，1998年美國3D System公司推出SLA-250商品產(chǎn)品，是目前最成熟的增材制造技術(shù)之一。光固化成型技術(shù)可獲得形狀復雜、表面質(zhì)量較好的零件[16-18]。光固化成型工藝的原理見圖2，在紫外激光束控制單元的驅(qū)動下，將零件的各分層信息在光敏樹脂表面加工，被掃描區(qū)域的光敏樹脂材料因紫外光照射發(fā)生聚合反應而固化，形成零件的1個切片層；一層固化后，工作臺向下移動1個層厚的距離，新一層的液態(tài)樹脂填充加工表面，采用刮板將液面刮平，進行下一層的掃描加工，如此反復直到整個零件制造完成[18]。由于SLA設(shè)備昂貴，光敏樹脂價格較高，國產(chǎn)價格約為1 000元/kg，導致SLA技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械中的應用不廣泛，僅少數(shù)科研單位采用SLA技術(shù)設(shè)計、制造全新農(nóng)業(yè)機械部件并進行相關(guān)田間試驗，如華南農(nóng)業(yè)大學羅錫文院士團隊采用SLA技術(shù)成型播種機中的排種器和水田激光平地機中的控制盒等。

4.2選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)（selective laser sintering，SLS）

選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的Carl Deckard于1989年申請專利，并于1992年由DTM公司開發(fā)了首款商業(yè)設(shè)備[19-20]。SLS最大的特點是可以成型金屬零件，成型材料采用的是外表包裹聚合物的金屬粉末。SLS原理見圖3，粉末首先被均勻置于成型平臺上，激光通過掃描振鏡按照切片層數(shù)據(jù)將加工區(qū)域內(nèi)的粉末加熱，粉末因聚合物受熱而粘結(jié)在一起；單層加工完成后，成型臺下降1個層厚，鋪粉機構(gòu)將新的粉末重新預置于加工區(qū)域之上，激光再次開始加工，重復以上過程直至零件加工完成。成型后的零件須置于高溫保溫爐中進行保溫，將聚合物黏合劑熔化。目前該技術(shù)在模具行業(yè)應用廣泛，選用型砂進行激光燒結(jié)，完成砂型鑄造，制備模具。選區(qū)激光燒結(jié)在農(nóng)機方面有較多應用，如濾水器中的過濾器。過濾器由5層絲網(wǎng)組成，分別是保護層、過濾控制層、分散層、支撐骨架層、骨架層，每層均由多個尺寸較小的孔洞組成。由于受到加工路徑和刀具尺寸的約束，采用傳統(tǒng)成型方法很難成型，而采用SLS技術(shù)可十分方便地成型多孔濾網(wǎng)。

4.3直接金屬激光燒結(jié)（direct metal laser sintering，DMLS）技術(shù)

直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)由RPI（Rapid Product Innovations）和德國EOS公司的 GmbH于1994年共同研發(fā)，是首個商業(yè)化的直接生產(chǎn)金屬零件的成型方法[21]。直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)的原理見圖4，與SLS十分相似，DMLS多采用兩缸結(jié)構(gòu)。與SLS相比，DMLS選用的金屬粉末尺寸更?。ㄒ话阒睆綖?0 μm），粉末無需黏結(jié)劑或助熔劑，無需后續(xù)加熱和滲透處理，鋪粉厚度更薄，成型零件形狀更加復雜，獲得成型零件的致密度更高（一般致密度高于95%）。目前可成型材料主要有合金鋼、不銹鋼、工具鋼、鋁、青銅、鈷鉻、鈦等，主要應用領(lǐng)域有快速模具、醫(yī)療植入物、高溫應用、航空航天零部件[19]。目前，DMLS在農(nóng)業(yè)上主要應用于形狀復雜、曲面較多的零件，如旋耕刀、水泵葉輪機、送料螺旋等。隨著農(nóng)業(yè)航空植保技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應用不斷增加，農(nóng)業(yè)航空中無人機的關(guān)鍵部件對于輕量化的極限需求與日俱增，這將為DMLS在農(nóng)業(yè)航空提供新的研究領(lǐng)域。

4.4熔融沉積成型技術(shù)（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）

熔融沉積成型是由美國Stratasys公司開發(fā)的繼光固化成型工藝后另一種被廣泛應用的成型方法[22-23]。其原理見圖5，將絲狀的熱熔性材料加熱熔化，通過微細噴嘴將熔融絲擠出，噴嘴按照控制單元指令相對工作臺沿水平方向移動，熔融絲擠出溫度略高于固化溫度，以保證熱熔材料的黏結(jié)性，與前一層熔結(jié)在一起。一層成型后，工作臺按設(shè)定值下降1個層厚，繼續(xù)熔噴沉積，直至整個實體完成。目前，新的熔融沉積采用雙噴頭或多噴頭，雙噴頭是將支撐與實體分開成型，可分別控制支撐和實體的成型參數(shù)。熔融沉積是目前成本最低廉、應用最廣泛的增材制造方法，主要用于辦公用品、模具開發(fā)、醫(yī)學植入體、醫(yī)療器械、建筑等三維實體制造[24]。

華南農(nóng)業(yè)大學楊洲團隊采用熔融沉積設(shè)計并制造了全新外槽輪排肥器的排肥輪（圖6）。圖6中紅色部分為采用熔融沉積成型的外槽輪排肥器的外槽輪及其聯(lián)軸器，米白色部分為目前市場上通用的外槽輪。楊洲團隊通過步進電機控制每個外槽輪，并對2種外槽輪的排肥量進行了對比研究。試驗選用華南農(nóng)業(yè)大學自行搭建的排肥檢測平臺（圖7），采用電子施肥控制器控制直流電機轉(zhuǎn)速，采用HX-T型電子天平測量排肥質(zhì)量，以外槽輪旋轉(zhuǎn)10圈為1個指標，連續(xù)測量5次，試驗數(shù)據(jù)見表1。數(shù)據(jù)表明，采用增材制造的外槽輪排肥器變異系數(shù)更小，設(shè)備更加穩(wěn)定可靠。

5增材制造技術(shù)應用于農(nóng)機機械制造的前景

發(fā)展增材制造技術(shù)可為農(nóng)機發(fā)展開拓設(shè)計思路，減少無用功的消耗。增材制造技術(shù)目前已被應用于多個行業(yè)，在農(nóng)業(yè)機械制造中的應用也勢在必行。傳統(tǒng)的農(nóng)機設(shè)計流程復雜，包括確定設(shè)計目標和方案、設(shè)計樣機、田間試驗、優(yōu)化設(shè)計、完成開發(fā)。傳統(tǒng)農(nóng)機設(shè)計中首先要考慮加工，在能夠?qū)崿F(xiàn)加工的基礎(chǔ)上進行設(shè)計，導致在理論中最省功的仿生（仿形）設(shè)計無法在實際生產(chǎn)中實現(xiàn)。增材制造最大的優(yōu)勢在于突破傳統(tǒng)設(shè)計思路，采用層層疊加的方式，加工過程中幾乎不考慮走刀路線等加工約束，特別適于加工形狀復雜的空間漸變曲線、仿生（仿形）結(jié)構(gòu)。采用增材制造可為農(nóng)機設(shè)計提供新的思路，將有更多的仿生（仿形）結(jié)構(gòu)得以應用，大幅減少農(nóng)機的功耗損失。

發(fā)展增材制造技術(shù)可縮短農(nóng)業(yè)機械試制周期，減少成本投入。農(nóng)業(yè)機械與其他機械最大的區(qū)別在于農(nóng)機需要田間試驗，而田間試驗又受到作物生長周期的限制，因此樣機試驗效果的反饋成為縮短農(nóng)機研發(fā)周期的瓶頸，許多農(nóng)機需用幾年時間完成田間試驗。增材制造技術(shù)最大的優(yōu)勢在于田間試驗效果的快速反饋，小尺寸關(guān)鍵部件的成型時間一般為1～2 d，自動化程度高，幾乎不需要人為操作，成型單件成品時間遠遠少于傳統(tǒng)加工。相同時間內(nèi)可反復多次進行田間試驗及設(shè)計修改，提高了優(yōu)化效率，縮短了農(nóng)機的試制周期，使田間試驗與設(shè)計修改結(jié)合得更為緊密，效率更高，減少了產(chǎn)品的市場響應時間和研發(fā)成本。發(fā)展增材制造技術(shù)可提高農(nóng)機制造水平，增加農(nóng)機設(shè)備的可靠性。農(nóng)機多采用傳統(tǒng)的車鉗銑刨磨進行加工，制造成本低，精度和穩(wěn)定性差，雖然國家每年都有農(nóng)機補貼，但農(nóng)機使用壽命過短造成了資源的極大浪費。增材制造屬于先進制造技術(shù)，將數(shù)控機床與計算機相結(jié)合，加工精度和自動化程度高，成型過程中受外界干擾條件少，成型零件性能穩(wěn)定可靠，是《中國制造2025》重點發(fā)展方向之一。采用增材制造技術(shù)將大幅提高我國農(nóng)機制造行業(yè)的制造水平，增加農(nóng)機裝備的可靠性，提升我國農(nóng)業(yè)機械制造行業(yè)的競爭力。

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