淺析3D打印技術(shù)在選礦機械中的應(yīng)用

李文雅

摘要： 本文從3D打印技術(shù)發(fā)展入手，分析了3D打印技術(shù)的原理和分類，創(chuàng)新性地將其融入到選礦機械方向，從選礦機械教學(xué)、零件修復(fù)、展示宣傳、新設(shè)備研發(fā)四個方面探討了3D打印的應(yīng)用。分析表明：3D打印技術(shù)將會對傳統(tǒng)的選礦機械行業(yè)產(chǎn)生變革性的影響，具有長遠的發(fā)展?jié)摿途薮蟮慕?jīng)濟效益。

Abstract： Based on the development of 3D printing technology， this paper analyzed the principle and classification of 3D printing technology， incorporated it into the mineral processing machinery direction innovatively， discussed the application of 3D printing from mineral processing machinery teaching， repair parts， display of publicity， new product research. The analysis shows， 3D printing technology will have a transformative impact on the traditional mineral processing machinery industry， and have long-term development potential and enormous economic benefits.

關(guān)鍵詞： 選礦機械；3D打??；教學(xué)設(shè)計；零件修復(fù)

Key words： mineral processing machinery；3D printing；instructional design；parts repair

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）22-0185-02

0 引言

3D打印技術(shù)是制造業(yè)領(lǐng)域正在快速發(fā)展的新興技術(shù)，以其數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、個性化、定制化等特點，被譽為是“推動第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”[1]，3D打印技術(shù)對我國制造業(yè)的發(fā)展起著極其重要的推動作用，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，包括航空航天、武器裝備、工業(yè)設(shè)計與制造、醫(yī)療、文化、珠寶首飾、建筑等多個不同行業(yè)[2-5]。2013年，國家科技部公布《國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863技術(shù)）》和《國家科技支撐計劃制造領(lǐng)域項目征集指南》中，3D打印技術(shù)首次入選，限期我國眾多學(xué)者對3D打印技術(shù)深入研究，發(fā)現(xiàn)其具有的快速性、準確性及擅長制作任意復(fù)雜形狀的特性，能夠有效推動我國各行各業(yè)快速發(fā)展。但是目前3D打印技術(shù)很少提到選礦機械行業(yè)的應(yīng)用，將兩者融合是選礦機械發(fā)展方向的全新嘗試。

1 3D打印原理及分類

3D打印（3 Dimensional Printing，三維打印）的學(xué)名為增材制造（material additive manufacturing），是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，利用粉末狀金屬、熱熔性塑料、光固化樹脂、陶瓷粉末等可粘接材料，通過逐層打印疊加而制造復(fù)雜形狀零件的方法。主要的分類為[6]：

①SLA光固化成型技術(shù)：以光敏樹脂為原料，激光照射后樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的一個薄層，逐層累積。

②FDM熔融層積成型技術(shù)：將絲狀的熱熔性材料加熱融化，選擇性地涂敷在工作臺上，快速冷卻后形成一層截面，一層一層堆積直至形成整個實體。

③SLS選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)：通過預(yù)先在工作臺上鋪一層粉末材料，然后讓激光對粉末進行燒結(jié)，然后不斷循環(huán)，層層堆積成型。

④LOM分層實體制造法。根據(jù)零件分層集合信息切割材和紙等，將所獲得的層片粘接成三維實體。

2 3D打印技術(shù)在選礦機械方向的應(yīng)用

2.1 選礦機械教學(xué)

目前，我國高校的選礦機械教學(xué)多數(shù)采用的是傳統(tǒng)的PPT教學(xué)模式[7]，即教師多使用語言、文字和圖片描述教學(xué)內(nèi)容，盡管利用UG、SolidWorks、ADAMS、Proe、Catia等三維建模軟件能夠?qū)崿F(xiàn)選礦機械的三維可視化，但多媒體課件展示的教學(xué)三維模型也無法使學(xué)生直接接觸和觀察選礦機械的實際結(jié)構(gòu)和工作原理。而形象直觀的選礦機械模型定制花費很高，有些甚至是無法定制的，因此很少有學(xué)校進行配備。而且需要專門的教學(xué)設(shè)備制作公司制造，更新速度慢，根本無法適用現(xiàn)代選礦機械多變化、多樣化、迅速發(fā)展的特性。

3D打印則提供了無限的創(chuàng)造空間，教師可以方便地自主制作和打印選礦機械模型，以形象直觀可觸摸的三維模型展示教材中提取的二維信息，并可設(shè)計個性化教學(xué)模型來適應(yīng)課堂教學(xué)內(nèi)容的多變化，學(xué)生也可以觀察、觸摸和組裝選礦機械零件模型，將很大程度加深學(xué)生對于選礦機械的實際結(jié)構(gòu)、原理等的理解。3D打印也可以進行選礦機械的實踐教學(xué)，讓學(xué)生從選礦機械的設(shè)計到打印全部參與，促進學(xué)生的設(shè)計能力、觀察能力和動手能力，進一步提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.2 選礦機械零件修復(fù)

選礦機械屬于大型機械設(shè)備，造價昂貴，缺少備件，工作環(huán)境惡劣，容易產(chǎn)生損壞，損傷模式復(fù)雜，造成維修成本較大，一旦出現(xiàn)損壞，會造成生產(chǎn)線中斷，出現(xiàn)較大經(jīng)濟損失。選礦機械的易損零部件可分為直接工作件類、結(jié)構(gòu)件類型、傳動系統(tǒng)件類三種，如顎式破碎機的顎板、跳汰機篩板、傳動齒輪等，目前采用激光熔覆技術(shù)來修復(fù)受損表面，但其沒有三維造形功能，因此無法恢復(fù)設(shè)備易損零部件的待修復(fù)區(qū)結(jié)構(gòu)原形，僅僅實現(xiàn)簡單的涂覆，后期還需要進一步打磨等后處理工藝[8]，而3D打印激光成形修復(fù)技術(shù)解決了激光熔敷技術(shù)在成形方面的缺陷，綜合了三維成形與表面強化技術(shù)的特長，同時可以實現(xiàn)多材料的復(fù)合制造，利用Fe基、Co基、Ni基等可熔金屬作為粘接劑，并加入TiC、ZrO2、SiC、Al2O3等陶瓷作為增強相修補至易磨損部分，使得零件的耐磨性、硬度得到大幅提升，適合用于解決選礦機械的受損修復(fù)問題，可以迅速精確地實現(xiàn)受損設(shè)備的維修保障，它將會是未來顛覆傳統(tǒng)機械加工設(shè)備維修保障技術(shù)的手段。

2.3 選礦機械宣傳展示

選礦機械由于體積大、重量大，難以搬運等特點，因此國際國內(nèi)設(shè)備展覽會，如加拿大多倫多國際礦業(yè)展覽會、南非國際礦山機械展覽會、全國礦物加工前沿技術(shù)與裝備大會上進行展示時需要耗費龐大的人力、物力和財力，若只進行部分小型設(shè)備展覽，或者設(shè)備宣傳片的播放，可以達到節(jié)約成本的目的，但根本達不到預(yù)期的宣傳效果。將3D打印技術(shù)應(yīng)用于選礦機械展示中，以打印選礦機械模型取代實體機械設(shè)備，可以大大節(jié)省搬運、安裝過程中造成的損耗，完全可以取代傳統(tǒng)的單一平面宣傳方式。

2.4 新選礦設(shè)備研發(fā)

選礦機械開發(fā)周期的縮短，意味著設(shè)備能夠盡快投入生產(chǎn)，但選礦機械設(shè)備的原型機制作將花費較長時間，并且原型機的測試需要對產(chǎn)品原型進行性能測試和嚴格的工程評價，以實現(xiàn)設(shè)計缺陷的及時反饋，盡最大可能地降低選礦機械設(shè)備開發(fā)風險。采用3D打印技術(shù)可大大縮短選礦機械原型機的制作時間，從以往的幾個月縮短至幾個星期甚至幾天，及時實現(xiàn)市場的快速響應(yīng)[9]。

目前選礦機械多為組裝結(jié)構(gòu)，有些組裝結(jié)構(gòu)增加的產(chǎn)品的質(zhì)量、體積、復(fù)雜程度和故障幾率，在生產(chǎn)和裝配過程中浪費大量的人力物力，而3D打印采用增材制造，使得結(jié)構(gòu)一體化，不僅提高了生產(chǎn)效率，也提高了零件的結(jié)構(gòu)強度和可靠性，使得復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)和原理得以簡化實現(xiàn)，讓制造和裝配工藝不再是設(shè)計師想象力的束縛。

3 總結(jié)

本文創(chuàng)新性地將3D打印融入選礦機械方向，主要從選礦機械教學(xué)、選礦設(shè)備修復(fù)、展示宣傳、新設(shè)備研發(fā)闡述了3D打印的應(yīng)用，其快速性、準確性及擅長制作任意復(fù)雜形狀的特性，將會對傳統(tǒng)的選礦機械行業(yè)產(chǎn)生變革性的影響，是選礦機械行業(yè)一個全新的發(fā)展方向，具有潛在的技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景，將在選礦機械領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

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