淺談增材制造在水利工程中的應(yīng)用

趙漢哲

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150000)

增材制造(AM)是根據(jù)計(jì)算機(jī)三維圖形數(shù)據(jù)，直接通過添加材料的方法，層層堆積，生成任何形狀的物體，在整個(gè)生產(chǎn)制造過程無需原胚和模具，簡化了產(chǎn)品制作程序，縮短產(chǎn)品研制周期，提高效率降低成本。該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于航空航天、工業(yè)、汽車、醫(yī)學(xué)以及口腔醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，能否在水利工程上進(jìn)行應(yīng)用，如何使用控制軟件、粉末技術(shù)溶化成型技術(shù)以及材料如何添加等還面臨著一定的研究。

1 水利工程的特性

水利工程具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性和綜合性，對環(huán)境有很大影響，由于受水的作用，工作條件復(fù)雜，施工難度大，受各地的水文、氣象、地形、地質(zhì)等自然條件影響，水利工程的設(shè)計(jì)、施工存在不同的制約。尤其東北寒冷地區(qū)，面臨水利工程施工季節(jié)性影響較重，如何能夠抓住有力的施工期，如何在保質(zhì)保量的前提下干好水利工程，是未來面臨探索的一大重要課題，未來是科技的時(shí)代，增材制造技術(shù)在其他領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，如何應(yīng)用于水利工程，需要不斷探索研究。

2 增材制造的發(fā)展及原理

2.1 增材制造的發(fā)展

早在20世紀(jì)80年代初，人們就發(fā)明出了增材制造設(shè)備，然而直到1987年，第一臺商用增材制造系統(tǒng)SLA-1，才由美國3D Systems公司率先推出。它的工作原理基于立體平板印刷(Stereo-lithography，SL)原理，該系統(tǒng)第一次讓使用者能從計(jì)算機(jī)數(shù)字化數(shù)據(jù)直接“打印”獲得物理實(shí)體。增材制造技術(shù)的發(fā)明，由于可以節(jié)約大量時(shí)間，特別是對于復(fù)雜和困難的模型生產(chǎn)，而成為產(chǎn)品生產(chǎn)的“分水嶺事件”，是產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)進(jìn)入到一個(gè)新的時(shí)代。新的增材制造技術(shù)不斷被推陳出新，增材制造系統(tǒng)的新應(yīng)用也被挖掘和不斷擴(kuò)展，材料方面的改進(jìn)，固化后具有更好的力學(xué)性能的新型樹脂和更加精確、更快成型的技術(shù)使增材制造成為制造模具的有效方法。直到2009年，引發(fā)了低價(jià)個(gè)人3D打印機(jī)的爆炸式增長，如MakerBot、RepRap等公司生產(chǎn)的這類打印機(jī)。允許個(gè)人以一個(gè)較低的價(jià)格就能使用增材制造技術(shù)。預(yù)示未來增材制造將成為人們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠諿1]。

2.2 增材制造的基本原理

盡管增材制造系統(tǒng)發(fā)展中使用了不同的技術(shù)，但它們的基本原理都相同[2]。

1)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD-CAM)軟件建模，設(shè)計(jì)出零件模型。構(gòu)建實(shí)體模型，為一個(gè)明確定義的封閉容積的閉合曲面。這意味著這些數(shù)據(jù)必須詳細(xì)描述模型內(nèi)、外及邊界。如果構(gòu)建的是一個(gè)實(shí)體模型，則這一要求顯得多余，因?yàn)橛行У膶?shí)體模型將自動(dòng)生成封閉容積。這一要求確保了模型所有水平截面都是閉合曲線。這一點(diǎn)對增材制造十分關(guān)鍵。構(gòu)建了實(shí)體或曲面模型之后，要轉(zhuǎn)化為由3 D Systems公司開發(fā)的一種稱為STL的文件格式。STL文件格式是利用最簡單多邊形和三角形逼近模型表面。曲度大的表面需采用大量三角形逼近，這就意味著彎曲部件的STL文件可能非常大。某些增材制造設(shè)備也能接受IGES文件格式，以滿足特定的要求。

圖1 增材制造的四個(gè)方面

2)計(jì)算機(jī)程序分析定義制作模型的STL文件，然后將模型分層為截面切片。構(gòu)建了實(shí)體或曲面模型之后，要轉(zhuǎn)化為文件格式。STL文件格式是利用最簡單多邊形和三角形逼近模型表面。這些截面將通過打印設(shè)備將液體或粉末材料固化被系統(tǒng)地重現(xiàn)，然后層層結(jié)合形成3D模型。也有另外其他技術(shù)是將這些薄層切片，固態(tài)片層通過膠黏劑結(jié)合在一起形成3D模型。其他類似的方法也可用于構(gòu)建模型中。

增材制造系統(tǒng)可以概括為4個(gè)基本部分。圖1中的增材制造的圖輪描述了增材制造的四個(gè)關(guān)鍵方面。它們是：輸入，方法，材料，應(yīng)用。輸入，指要用數(shù)字化信息描述3D實(shí)體，即數(shù)字化模型；方法，大致可以歸為光固化類、剪切與黏連類、熔化和固化類、單激光束類、雙激光束類和蒙面燈類等；材料，形態(tài)有固態(tài)、液態(tài)或粉末；應(yīng)用，可分為設(shè)計(jì)、工程分析和規(guī)劃、制造和模具等。

3 增材制造系統(tǒng)的分類及優(yōu)勢

3.1 增材制造系統(tǒng)的分類

現(xiàn)在市場中眾多的增材制造系統(tǒng)有很多種分類方法，其中較好的一種方法是以原材料的形態(tài)來劃分增材制造系統(tǒng)，這些材料可以用于制作原型或制造零件。增材制造系統(tǒng)按使用材料形態(tài)方式分為：①液態(tài)材料②固態(tài)材料；③粉末材料。原料為液態(tài)基材的增材制造系統(tǒng)使用的材料是液態(tài)材料，通過固化過程即液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過程進(jìn)行成型，圖1中，有3種方法屬于“光固化”法；除了粉末，固態(tài)基材的設(shè)備系統(tǒng)包括所有的固態(tài)形式，可包括絲材、帶材、層壓板和粒料等形狀形式，圖1中，有兩種方法屬于固態(tài)材料的增材制造系統(tǒng)；粉末大體上是固體形態(tài)，這種材料的增材制造系統(tǒng)都使用的是連接/黏接方法，這些連接/黏接方法的區(qū)別在于有的采用了激光，而有的則采用膠黏劑來實(shí)現(xiàn)接合效果[3]。

圖2 增材制造技術(shù)集成

3.2 增材制造的優(yōu)勢

當(dāng)今自動(dòng)化時(shí)代，不用模具、不限形式的增材制造系統(tǒng)可以直接生產(chǎn)小批量的功能部件。以這種方式產(chǎn)生的零件通常具有僅次于機(jī)加工的精度和表面粗糙度。而一些先進(jìn)的系統(tǒng)能夠生產(chǎn)接近或達(dá)到最終形態(tài)質(zhì)量的零件。生產(chǎn)的零件，經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮筇幚恚哂谢蚪咏罱K產(chǎn)品的材質(zhì)和性能。更重要的是，生產(chǎn)零件所用的時(shí)間(一旦設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)完成)很短，甚至可以以小時(shí)計(jì)。在圖2中，上部分描述的是傳統(tǒng)生產(chǎn)活動(dòng)模式所需的全過程，下部分描述的是增材制造的模式。兩者在生產(chǎn)規(guī)模、節(jié)省時(shí)間和成本的比例在50%～90%之間不等。

直接優(yōu)勢，在相對較短的時(shí)間內(nèi)獲得任何復(fù)雜的物理模型用于產(chǎn)品驗(yàn)證或進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。不受制造過程的限制，不用考慮制造拔模斜度、分型線或其他類似的約束。模具和制造工程師，可以節(jié)約成本。制造工程師可以最大限度地減少設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)證工作。因?yàn)楣潭ǔ杀据^低，可以更早地實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的利潤。

間接優(yōu)勢，營銷商以及消費(fèi)者都將收益于增材制造技術(shù)的使用。對市場和供應(yīng)有益處，對消費(fèi)者可以買到更貼近個(gè)人需求的個(gè)性商品。

4 增材制造過程

造系統(tǒng)大都有相似的工藝鏈。增材制造系統(tǒng)物工藝鏈如圖3所示。制造過程有5個(gè)步驟：①3D建模，是增材制造過程基本條件，是整個(gè)工藝鏈中最耗時(shí)一步；②數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及傳輸，據(jù)傳輸過程很直觀，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化過程可能是整個(gè)過程鏈中最簡便、用時(shí)最短；③檢測與準(zhǔn)備，CAD模型質(zhì)量取決于CAD系統(tǒng)、人工操作及后期處理，包括產(chǎn)生不必要?dú)?針類缺陷模型等；④打印，這一步大多數(shù)實(shí)現(xiàn)了完全自動(dòng)化；⑤后期處理，是工藝鏈中的最后1步。根據(jù)模型的質(zhì)量，可能需要反復(fù)進(jìn)行第3步和第5步直到模具或零部件達(dá)到令人滿意的標(biāo)準(zhǔn)。[4]

增材制造過程應(yīng)注意的問題：①建模不正確，與傳統(tǒng)數(shù)控編程不同，不論基本圖元(Basic Element)是曲面模型還是實(shí)體模型，增材制造建模都要求模型必須是封閉容積；②對增材系統(tǒng)中的參數(shù)設(shè)定不充分，導(dǎo)致系統(tǒng)性能無法發(fā)揮到最佳水平，或出現(xiàn)瑕疵或錯(cuò)誤；③檢驗(yàn)時(shí)未及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，引發(fā)缺陷模型；④后期處理不當(dāng)，損壞部件。

圖3 增材制造系統(tǒng)的工藝鏈

5 增材制造應(yīng)用在水利工程的未來前景

5.1 快速成型，方便應(yīng)用

增材制造技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用已經(jīng)被探索和研究。設(shè)計(jì)人員只需要一個(gè)物理的模型和具有一定功能的模型，快速制造和快速模具，可以生產(chǎn)出最終的產(chǎn)品和模具，可以直接制造出少量的小型原型件產(chǎn)品，再根據(jù)需要批量生產(chǎn)，在渠道襯砌，標(biāo)準(zhǔn)斷面等應(yīng)用可以大量生產(chǎn)，即使是冬季或者雨季也不影響施工，只要制造材料準(zhǔn)備充足，便可通過制造技術(shù)大量生產(chǎn)。

5.2 減輕自重，方便運(yùn)輸

大規(guī)模個(gè)性化的增材制造，實(shí)現(xiàn)與快速制造、增材制造概念密切相關(guān)的技術(shù)將大批量的個(gè)性化定制產(chǎn)品制造出，在建筑領(lǐng)域應(yīng)用，輕度較一般建筑材料5倍，水利工程地處偏遠(yuǎn)環(huán)境，運(yùn)距較大，這樣就可以方便運(yùn)輸，能夠快速運(yùn)達(dá)施工現(xiàn)場，加快施工進(jìn)度。

5.3 節(jié)約人力物力，降低成本

增材制造應(yīng)用在水利工程中，可以通過批量和個(gè)性定制，有效節(jié)約人力物力，減少大型機(jī)械等的不便利等條件，加快工程進(jìn)度，縮短建設(shè)工期，降低施工成本，有效節(jié)省建設(shè)成本。

5.4 加速新材料新技術(shù)研發(fā)，加快推進(jìn)成果轉(zhuǎn)化

增材制造在水利上應(yīng)用，也加速推動(dòng)了水利工程新材料的研發(fā)，通過增材制造工藝使用不同材料產(chǎn)生不同作用，可以針對不同的水利工程以及不同的工程部位運(yùn)用不同材料進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)，同時(shí)可以針對特殊要求通過新材料在增材制造工藝中應(yīng)用得到更好的工程特性。新材料的研發(fā)可以在節(jié)約成本，批量生產(chǎn)中起到了重要作用，也為促進(jìn)增材制造工藝的快速發(fā)展起到良好的推動(dòng)作用。

增材制造對于很多領(lǐng)域具有涉獵，未來增材制造將會(huì)成為世界經(jīng)濟(jì)支撐，不就將來能夠在水利行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，也是社會(huì)進(jìn)步的又一革命。