機械領(lǐng)域?qū)I(yè)中3D打印技術(shù)的應(yīng)用探究與實驗改革

熊志宏　田佳鑫　朱燦陽　薛佳　沙超　曹向榮

摘? 要：該文以大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗計劃項目為依托，對3D打印技術(shù)在機械制造領(lǐng)域的應(yīng)用進行嘗試和探索實驗。選取在機械制造領(lǐng)域中常用的一些機加工零部件，進行3D打印制作，并在第五屆湖南省大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽無碳小車項目中實際運用。通過探索和驗證3D打印技術(shù)在機械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用前景及局限性，以推動其在機械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用，使之進一步與社會生產(chǎn)實際相結(jié)合，充分發(fā)揮其作用。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)? 機械制造領(lǐng)域? 探索

中圖分類號：TH16 ? ?文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）07（b）-0058-02

1? 3D打印在機械制造專業(yè)方面的應(yīng)用與概述

自1983年第一臺3D打印設(shè)備在美國問世以來，3D打印技術(shù)隨著計算機技術(shù)興起與材料技術(shù)的的日益完善得到飛速發(fā)展，在各個領(lǐng)域都顯示了其巨大的發(fā)展?jié)撃躘1]。3D打印技術(shù)即“增材制造”，其實質(zhì)就是將實體3維模型在3維仿真軟件中通過縱向展開成2維的模型，然后再通過將有限個二維空間疊加，從而將原材料層層疊加，其工作臺的升降受計算機軟件自動控制，完成3D實體模型的建立，將零部件從無到有的制造出來。3D打印技術(shù)相比于傳統(tǒng)制造工藝，具有很大的優(yōu)勢。傳統(tǒng)制造工藝產(chǎn)品制作周期長，產(chǎn)品質(zhì)量得不到有效的保證，對于復(fù)雜零部件，往往需要很多生產(chǎn)設(shè)備同時投入使用，使生產(chǎn)成本增加。運用3D打印技術(shù)，可以很大程度上降低企業(yè)加工成本，縮短產(chǎn)品加工周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量、零部件的精度等[2]。

在我國，3D打印技術(shù)處于起步階段，它在機械制造方面所發(fā)揮的作用和帶來的效益不是很明顯。為了推動機械制造行業(yè)持續(xù)發(fā)展，借助于3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，在機械制造領(lǐng)域中應(yīng)用3D打印技術(shù)，對促進機械制造行業(yè)更好地發(fā)展有著不容忽視的作用[3]。

由于我國應(yīng)用3D技術(shù)的時間比較短，不可避免地還存在一些問題，只有通過不斷地進行應(yīng)用嘗試和探索實驗，將3D打印技術(shù)的應(yīng)用和實際情況結(jié)合在一起，逐步探索解決應(yīng)用中的實際問題，才能充分發(fā)揮3D打印技術(shù)的作用，推動機械制造行業(yè)穩(wěn)定的發(fā)展。

與此同時，3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用也能夠為教學(xué)、學(xué)習(xí)和研究領(lǐng)域帶來創(chuàng)新[4]。大學(xué)生創(chuàng)新是一個民族的靈魂，是社會發(fā)展的不竭動力，而制造業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，是國家競爭力的重要體現(xiàn)，現(xiàn)代制造技術(shù)水平的高低已成為一個國家經(jīng)濟發(fā)展的主要標(biāo)志。

該文以大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗計劃項目為依托，對3D打印技術(shù)在機械制造領(lǐng)域的應(yīng)用進行嘗試和探索實驗。該項目擬選取在機械制造領(lǐng)域中常用的一些機加工零部件，進行分析測量、三維建模并3D打印制作，并應(yīng)用到實際的學(xué)科競賽當(dāng)中，以此來探索和驗證3D打印技術(shù)在機械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用前景及局限性，推動其在機械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用，使之進一步與社會生產(chǎn)實際相結(jié)合，充分發(fā)揮其作用。

2? 3D打印在機械類專業(yè)教學(xué)及學(xué)科競賽中的實際應(yīng)用

項目組在第五屆湖南省大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽無碳小車項目中便運用到了3D打印技術(shù)。為了減輕小車的重量、解決部分復(fù)雜零件難于加工等問題，我們對轉(zhuǎn)向和傳動部分的一些零件使用了3D打印，主要包括打印小車前動軸、連桿、轉(zhuǎn)向架、前后輪、撥盤、從動軸架以及直線軸承架。這減輕了小車的重量，降低了加工難度，減少了制造成本。此次比賽，我們一共獲得了3項湖南省大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽三等獎。

3D打印為我們在小車制造方面提供了很好的幫助，以往小車零部件都是經(jīng)過網(wǎng)上采購，且都是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的零部件，可能會與我們自己的設(shè)計有所沖突，而且市場上的某些零部件在傳動精度上也達不到比賽要求。這就可能導(dǎo)致我們在市場上購買來的小車零部件會不符我們的要求，進而退貨再另購，這樣會極大延長我們的制作周期，縮短我們在小車性能方面改進的時間。有了3D打印技術(shù)，我們只需依靠Pro/E、SolidWorks等主流三維仿真軟件，將小車零部件的3D模型在三維仿真軟件中建立出來，然后再將模型文件輸入打印機系統(tǒng)，結(jié)合計算機輔助技術(shù)就可以進行3D打印。3D模型是自己根據(jù)自己的設(shè)計來建立的，在后期小車性能改進時，只需根據(jù)自身的實際情況，對小車零部件的3D模型進行修改便可以了。相比于在市場上購買，在后期測試過程中，能節(jié)約很多的物流時間，從而為我們爭取設(shè)計更優(yōu)化的無碳小車提供了先決條件。對于3D打印機的使用，結(jié)合了三維仿真軟件，提高了我們的專業(yè)認(rèn)知能力，讓我們對機械制造專業(yè)的理解并不僅僅局限于傳統(tǒng)制造方式，而且還在一定程度上拓寬了我們的視野，明白了今后制造專業(yè)的主流方向。

3? 3D打印在機械制造領(lǐng)域中其他方面的應(yīng)用

過去一個產(chǎn)品的設(shè)計與研發(fā)，特別是對于一些較為復(fù)雜的零部件而言，往往需要用到很多的專用生產(chǎn)設(shè)備，如專用機床、專用夾具等。而且生產(chǎn)出來的產(chǎn)品還不一定能夠滿足市場的需求，這個過程得經(jīng)過市場的檢驗，而檢驗一般需要花費很長時間。通過市場反饋對產(chǎn)品進行多次修改，最終才能大批量投入生產(chǎn)。這就意味著產(chǎn)品的生產(chǎn)周期會很長，不利于企業(yè)的競爭。3D打印技術(shù)在一定程度上還能增強零部件的穩(wěn)定性，極大地優(yōu)化產(chǎn)品加工過程，不依賴于傳統(tǒng)機床設(shè)備，解放了生產(chǎn)條件，為企業(yè)節(jié)省下了更多的利潤，讓其在市場研發(fā)方面有更多的投入。3D打印還為制造業(yè)的升級提供了更為廣闊的發(fā)展空間，在一些具有高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的生產(chǎn)上，傳統(tǒng)制造工藝方法已經(jīng)很難適應(yīng)，這就迫使企業(yè)升級，以全面適應(yīng)當(dāng)今制造業(yè)的新環(huán)境。3D打印因其制造出來的產(chǎn)品精度高、能打印出復(fù)雜程度高且傳統(tǒng)制造工藝很難制造出來的零件、產(chǎn)品生產(chǎn)周期短等優(yōu)點，廣泛適用于高精密產(chǎn)業(yè)。例如在汽車制造領(lǐng)域，在現(xiàn)代化汽車發(fā)展進程中，汽車產(chǎn)業(yè)不斷升級，導(dǎo)致其部分零部件的復(fù)雜程度越來越高。用傳統(tǒng)制造工藝手段已經(jīng)很難適應(yīng)新時代制造的要求，這時3D打印便發(fā)揮了其巨大優(yōu)勢。3D打印技術(shù)還在其他方面顯示了其巨大的發(fā)展優(yōu)勢，例如航天航空領(lǐng)域、醫(yī)療健康領(lǐng)域等，未來3D技術(shù)可能在我們的生活中也會有很廣泛的應(yīng)用。

4? 結(jié)語

對于3D打印技術(shù)在機械類專業(yè)及制造領(lǐng)域的應(yīng)用前景和局限性，還需更多的探索、實驗和改革，以推動其實踐和應(yīng)用，使之進一步與機械類專業(yè)的教學(xué)和社會生產(chǎn)實際相結(jié)合，充分發(fā)揮其作用。

參考文獻

[1] 魏云虎.探討3D打印技術(shù)在機械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].時代農(nóng)機，2017，44（2）：23，27.

[2] 扈恩同.3D打印技術(shù)在機械制造中的應(yīng)用研究[J].世界有色金屬，2018（1）：42-43.

[3] 薛宇航.3D打印對機械制造及自動化的影響[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2018，8（18）：55-56.

[4] 周達，黃彬彬.3D打印技術(shù)在高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2017，14（35）：243，245.