探討3D打印應(yīng)用于有色金屬設(shè)備制造領(lǐng)域

李繼明

（甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730207）

2016年4月6日國(guó)務(wù)院總理李克強(qiáng)主持召開國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議，會(huì)議通過了《裝備制造業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化和質(zhì)量提升規(guī)劃》，要求對(duì)接《中國(guó)制造2025》，內(nèi)容中提出了堅(jiān)持“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本”的基本方針，堅(jiān)持“市場(chǎng)主導(dǎo)、政府引導(dǎo)，立足當(dāng)前、著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)，整體推進(jìn)、重點(diǎn)突破，自主發(fā)展、開放合作”的基本原則，通過“三步走”實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)：第一步，到2025年邁入制造強(qiáng)國(guó)行列；第二步，到2035年中國(guó)制造業(yè)整體達(dá)到世界制造強(qiáng)國(guó)陣營(yíng)中等水平；第三步，到新中國(guó)成立一百年時(shí)，綜合實(shí)力進(jìn)入世界制造強(qiáng)國(guó)前列[1]。將增材制造列為制造業(yè)創(chuàng)新中心重點(diǎn)的建設(shè)工程。3D打印是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料、樹脂等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。我們可以充分利用3D打印技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)，促進(jìn)其在有色金屬設(shè)備制造領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 3D打印的發(fā)展進(jìn)程及其應(yīng)用領(lǐng)域

3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，實(shí)際上是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最新快速成型裝置。它與普通打印工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。從2001年起，我國(guó)開始重點(diǎn)發(fā)展以鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成型技術(shù)為主的激光3D打印技術(shù)。例如：殲-15廣泛使用了3D打印技術(shù)制造鈦合金主承力部分；C919大飛機(jī)的中央翼根肋也使用了3D打印技術(shù)。我國(guó)成為世界上繼美國(guó)之后第二個(gè)掌握飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成型技術(shù)的國(guó)家。目前，3D打印技術(shù)已在工業(yè)造型、機(jī)械制造、航空航天、建筑、家電、輕工、醫(yī)學(xué)、文化藝術(shù)、雕刻、首飾、食品等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。并且隨著這一技術(shù)本身的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣筟2]。

2 3D打印技術(shù)特點(diǎn)

①高度柔性：適應(yīng)性非常強(qiáng)；特別適合個(gè)性化和單件、小批復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件生產(chǎn)；②CAD模型直接驅(qū)動(dòng)：是一個(gè)自動(dòng)化的成形過程；③設(shè)計(jì)、制造一體化：使CAD、CAM、CAPP很順利的結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息設(shè)計(jì)過程和零件成形過程的一體化；④快速制造：零件制造從CAD設(shè)計(jì)到零件加工完畢，只需要幾小時(shí)到幾十小時(shí)，甚至幾十分鐘即可實(shí)現(xiàn)，可大大縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期；⑤制造成形自由化：不受任何專用工具和模具的限制，也不受零件復(fù)雜程度的限制就可自由成形；⑥技術(shù)的高度集成性：是CAD/CAM技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、新材料技術(shù)和機(jī)械加工等多學(xué)科技術(shù)的高度集成；⑦材料使用比較廣泛：金屬、紙張、樹脂、塑料、石蠟、陶瓷、水泥、石膏、型砂、食品、細(xì)胞等多種材料在快速原型制造領(lǐng)域已有很好的應(yīng)用。

3 3D打印技術(shù)與常規(guī)制造技術(shù)的關(guān)系

①是一種增量（或者叫增材)制造技術(shù)；②是對(duì)傳統(tǒng)常規(guī)制造技術(shù)的有益補(bǔ)充，不能替代常規(guī)制造業(yè)；③是實(shí)現(xiàn)直接制造、桌邊制造和批量定制的新型制造方式；④D打印為傳統(tǒng)制造業(yè)注入了活力，“超越了”傳統(tǒng)制造業(yè)；⑤目前存在的瓶頸：零件制造精度還有待進(jìn)一步提高、零件制造成本有待進(jìn)一步降低、材料種類有待進(jìn)一步開發(fā)。

4 3D打印技術(shù)在有色金屬裝備制造中的應(yīng)用分析

（1）提供新的設(shè)計(jì)思路。我們都知道，傳統(tǒng)的有色金屬裝備，設(shè)計(jì)周期都很長(zhǎng)，短則數(shù)月，長(zhǎng)則好幾年。而利用3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)快速制造：零件制造從CAD設(shè)計(jì)到零件加工完畢，可大大縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期。這樣的話，我們可以把更多的精力用在生產(chǎn)和企業(yè)的效益上面，提高了整體的綜合效率。從想象到現(xiàn)實(shí)，3D打印正在以“只有我們想不到?jīng)]有它做不到”的速度顛覆我們傳統(tǒng)的生活和生產(chǎn)模式。通過軟件的設(shè)計(jì)圖紙是3D打印的大腦。正像紙筆手繪是工匠在制造手工作品過程中的靈魂，設(shè)計(jì)文件指導(dǎo)3D打印機(jī)如何打印。設(shè)計(jì)軟件和3D打印技術(shù)的共同飛躍改變了人們?cè)O(shè)計(jì)與制造物體的方式，它們的結(jié)合使一切皆有可能。

（2）可以解決常規(guī)方法不能加工的結(jié)構(gòu)。例如，偏鎢酸銨主要用于石油裂化、環(huán)保等領(lǐng)域。近些年，由于霧霾治理等環(huán)保產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，原料供應(yīng)廠家發(fā)生了變化，以及客戶對(duì)質(zhì)量提出了新要求，使其生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)線遇到了兩個(gè)較大的難題。第一個(gè)是新的干燥設(shè)備在調(diào)試期間，產(chǎn)品質(zhì)量很不穩(wěn)定。第二個(gè)是主要原料的雜質(zhì)成分復(fù)雜多變，每一批次的生產(chǎn)工藝都需要進(jìn)行一些微調(diào)。采用3D打印技術(shù)可以加工成一種熱風(fēng)循環(huán)干燥箱，代替原有的烘箱，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。此外，在因高耗能而被稱為“電老虎”的電解鋁行業(yè)，河南中孚實(shí)業(yè)股份有限公司利用3D打印技術(shù)調(diào)試，解決了長(zhǎng)期困擾電解鋁生產(chǎn)的世界性難題——鋁電解系列不停電停開槽技術(shù)，這些都是常規(guī)加工方法不能夠做到的。

（3）縮減有色金屬設(shè)備制造成本。3D打印特別適合個(gè)性化和單件、小批復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件生產(chǎn)。這時(shí)候我們可以選擇合理的材料滿足設(shè)備的性能，采用3D打印技術(shù)。此外，我們可以針對(duì)3D打印的設(shè)計(jì)，減少返工成本。在使用3D打印技術(shù)時(shí)，設(shè)計(jì)思路和注意事項(xiàng)與使用傳統(tǒng)制造技術(shù)時(shí)的設(shè)計(jì)不同。最后，對(duì)于工業(yè)級(jí)的3D打印，仿真可以說必不可少，不僅幫助減少失敗，還可以提高零件質(zhì)量，而且有助于縮短有色金屬設(shè)備制造商的學(xué)習(xí)曲線。

5 結(jié)語(yǔ)

3D打印并不是萬能的，面臨的問題主要有材料和機(jī)器的限制、知識(shí)產(chǎn)權(quán)的憂慮、道德的挑戰(zhàn)等等。首先，雖然高端工業(yè)印刷可以實(shí)現(xiàn)塑料、某些金屬或者陶瓷打印，但無法實(shí)現(xiàn)打印的材料都是比較昂貴和稀缺的。其次，3D打印技術(shù)在重建物體的幾何形狀和機(jī)能上已經(jīng)獲得了一定的水平，幾乎任何靜態(tài)的形狀都可以被打印出來，但是有色金屬設(shè)備大多復(fù)雜而且對(duì)運(yùn)動(dòng)性能要求過高，因此還是需要實(shí)驗(yàn)調(diào)整材料配方和制作流程才能使其穩(wěn)定。這些都需要我們經(jīng)過多方面考慮和驗(yàn)證來共同提高3D打印技術(shù)在有色金屬裝備制造中的廣泛應(yīng)用。