3D打印技術的機械零件設計研究

熊祥斌

(三明技師學院 福建三明 366000)

隨著我國近年來工業(yè)的不斷轉型與提質增效的提出，工業(yè)制造不再依賴傳統(tǒng)的方式進行，而是大力引進先進的技術，促使相應的技術與工藝進行轉型。3D打印技術越來越表現(xiàn)出了突出的機械設計優(yōu)勢[1-2]，國家在增材制造方面對3D 打印技術給予了高度的評價?！秶以霾闹圃飚a業(yè)發(fā)展推進計劃（2017—2020年）》指出，要將3D打印技術視為我國制造業(yè)生產過程中的一項重要技術，要加大政府的財政投入與研究力度，為3D打印技術提供更為健康的發(fā)展環(huán)境，同時還設立了積極的推進方案。同樣在《中國制造 2025》也對3D打印技術給予厚望，強調智能機械產品的設計離不開3D打印技術，要加強這類技術對智能裝備的研發(fā)與量產。由此可見，3D打印技術會成為未來機械零件設計與制造乃至工業(yè)發(fā)展的優(yōu)勢技術，我國應該積極地創(chuàng)造產業(yè)集聚園地，推動3D 打印技術的機械零件制造應用，以增強產業(yè)的轉型與升級。

1 3D打印技術及其優(yōu)勢

1.1 3D打印技術內涵

3D 打印技術是指以數(shù)字規(guī)模作為基礎，應用塑料、金屬等相關的粘合材料，通過網(wǎng)絡逐步設計的方式來完善產品技術結構的一種技術[3]。設計者通過軟件來進行相應機械零件的三維模型設計，然后通過切片處理滿足設計制造上的數(shù)據(jù)控制，同時通過設備成型噴涂制造出所需要的三維產品。3D 打印技術往往與數(shù)字工業(yè)、信息技術、材料技術等融合在一起，也是當前“工業(yè)4.0”發(fā)展所必須的技術之一[4]。由此可見，3D打印技術能夠實現(xiàn)我國機械制造的自動化與智能化，對我國機械零件乃至工業(yè)實現(xiàn)技術轉型具有較強的現(xiàn)實意義。

1.2 3D打印技術的優(yōu)勢

3D 打印技術相比于傳統(tǒng)的加工制造具有較多的優(yōu)勢性。首先，3D 打印技術無需模具，也不需要刀切以及運用夾具來形成模型，這無形中縮短了機械零件制造的時間，降低了模型成型的這一周期過程。因此，相對于傳統(tǒng)工藝來說，真正做到了想象與現(xiàn)實的融合，能夠在以零原件的基礎上實施有效的設計。其次，使設計者實現(xiàn)了復雜結構的輪廓呈現(xiàn)，在現(xiàn)實設計中由于結構材料的復雜性導致設計層面困難重重，再加上材料獲取難度較高，促使更多工藝結構復雜的產品處于一個理論階段，3D 打印技術則降低了這樣的問題，通過在電腦上呈現(xiàn)不同輪廓的層層疊加，提現(xiàn)出了復雜輪廓的層次性與結構性，增強了產品設計的可能性以及打印塑造的可能性。最后，簡化了工藝流程。傳統(tǒng)的機械制造工藝需要通過焊接、栓接等對各零部件進行裝配。3D 打印技術則能夠在軟件的運行下實現(xiàn)一次性成型，簡化了諸多環(huán)節(jié)的裝配過程，這也是該技術所帶來的經(jīng)濟效益[5]。

2 3D打印技術在機械零件設計中的應用現(xiàn)狀

2.1 技術運用表現(xiàn)出顯著性成績

與其他的技術相比較，3D打印技術也表現(xiàn)出了典型的技術特征，在安全性、精度設計、打印速度等方面都有其優(yōu)勢。相關的研究資料顯示，3D打印技術在其傳統(tǒng)設計過程中成本往往是一般技術設計的1/10 左右，各大公司對于技術的應用顯出了較強的積極性[6]。由此可見，這一技術的應用成就顯著。

2.1.1 增強了產品的制造率

傳統(tǒng)的機械制造在設計完成之后，必須要經(jīng)過諸多的工序來進行，成品制造工序較為復雜，而且一些結構復雜的小型產品成品率相對低，限制了這類產品的大量生產。而將3D技術運用到這類產品的制造中，不僅可以提升產品的制造率，而且還能夠加強復雜結構零件的精細化設計。

2.1.2 可以保證成品的高質量水平

3D打印技術能夠做到對產品的精準設計，且還能夠把握產品的材料特征，促使各機械零件金屬部件達到更高的硬度與強度，滿足技術工藝的剛性與柔韌性，這是傳統(tǒng)工藝水平所不能完全保證的。因此，這也是3D打印技術廣泛應用到機械零件設計的優(yōu)勢所在。

2.2 不同機械零件中的設計運用

機械零件包含多個類型，該文通過形狀將其分為軸套類、箱體類、盤蓋類和叉架類四大類，分別進行零件的設計應用探討。

2.2.1 軸套類

軸套類零件最主要的特征在于以同軸旋轉為主要的結構，而這一結構對軸的橫向與縱向尺寸要求精度較高。傳統(tǒng)的方式設計這類零件需要通過削切等環(huán)節(jié)來保證產品的形狀與尺寸的合格性，隨著市場的需求量增大，無法做到大批量生產，而3D 技術則能夠滿足這一要求，不僅能夠達到對單個零件的技術標準要求，而且能夠實現(xiàn)批量化制作。在批量化制作的過程中3D打印技術就凸顯其優(yōu)勢，在軟件設計中明確其結構特征，有效設計內部夾層結構，從而增強了產品設計的精密性。

2.2.2 箱體類

箱體類零件主要特征是結構較為復雜，應用性廣泛，對于產品的密封性要求較高。傳統(tǒng)工藝設計會加強對箱體類零件的鑄造要求，批量生產也會注重產品質量的材質以及不同模具的精度。如果出現(xiàn)精度失誤，那么產品就會成為次品，達不到箱體內機械零件產品的合格要求。3D打印技術設計體現(xiàn)零件結構特征，而且也能夠簡化工序，提升成品的合格率，不僅節(jié)約了生產時間，而且降低了材料成本。

2.2.3 盤蓋類

盤蓋類零件主要是對各類箱體實現(xiàn)有效的連接，產品的特征為扁平狀或者圓形，這類零件起到固定作用。3D 打印技術的應用可以增強這類產品的設計美觀特征，還可以通過對內部結構的有效規(guī)劃，完善其實用性的同時，增強其美觀性，與傳統(tǒng)工藝相比，降低了產品尺寸的差異性。

2.2.4 叉架類

叉架類零件樣式豐富多樣，往往產品不對稱，這類產品主要用于對零件的連接，但這類產品對精準度要求較高，往往對一些孔、叉有較高的要求，傳統(tǒng)的工藝很難達到成品各個都合格，容易出現(xiàn)變形的產品，且由于產品的不對稱性，導致夾具或模具使用較多。在這樣的過程中，不利于大量、短時生產。借助3D 打印技術能夠降低這類問題，提升叉架類產品的生產速度，降低模具產生的誤差，提升產品的精準度。

3 3D打印技術運用存在的主要問題

隨著3D技術的不斷應用，當前在機械零件設計中取得了較大的成績，但是還沒有將這一技術運用到整體的機械制造產業(yè)當中，這一過程凸顯出了技術應用還存在諸多問題。

3.1 部分企業(yè)的接受理念不強，推廣力度受限

3D 打印技術雖然在機械零件設計過程中具有優(yōu)勢性，但是當前的部分企業(yè)對此的接受理念并不強，也導致了這類技術的推廣力度受到較大的限制。有資料調查發(fā)現(xiàn)，這類技術目前應用于一些大型的機械制造企業(yè)，其領導比較重視技術運用，而對于小型的機械制造企業(yè)，企業(yè)領導并不重視這一技術的使用。由于3D技術推廣還處于一個初級階段，較多的企業(yè)持有觀望態(tài)度，還沒有看到技術的成熟使用過程，認為這類技術雖然具有較高的優(yōu)勢，但并不能完全替代傳統(tǒng)機械零件制造[6]。其原因在于技術的引進不僅需要購買機器，而且還需要軟件技術人才，對于小型企業(yè)而言都是增加成本的一種方式，不利于經(jīng)濟效益的提升。

3.2 技術運用不足，量產仍舊需要時間

雖然3D打印技術表現(xiàn)出了較高的技術優(yōu)勢，但就其機械零件設計中仍舊沒有得到廣泛的應用。就技術而言，3D 打印技術的技術難度并不是很大，但是也要做到與相應的機械設計材料以及結構的融合，這樣的融合發(fā)展需要時間的積累，相應的機械制造企業(yè)由于缺乏技術性人才，也導致了3D技術開發(fā)與研發(fā)力度不足。諸多企業(yè)負責人指出3D 打印技術就目前的技術應用而言，表現(xiàn)為量產速度遠遠達不到市場需求，說明了這一技術的應用不足[6]。為了增強機械零件的技術應用，需要政府加強關注，鼓勵企業(yè)加大技術應用力度，才能在機械零件設計過程中逐步滲透技術，增強技術應用的速度，提升量產的可能性。

3.3 機器成本較高，企業(yè)購買的積極性受挫

3D 打印技術依托3D 打印機來實現(xiàn)，就目前的市場來看，這類機器的價格并不低。如果機械制造相應的企業(yè)對于打印機的需求量不高，用于少量的機械零部件生產，能夠降低相應的技術成本，但就其大規(guī)模應用來看，機器的購物置成本并不低。再加上企業(yè)對3D打印機技術的了解不全面，使許多的企業(yè)并不愿意購買這類機器。這顯示出3D 打印機技術應用于機械零件設計中還處于初級階段，相應企業(yè)的人員對于這類技術的研究并不深入。就對機械產品制造負責人的調查來看，90%負責人認為目前這類技術機器的成本相對較高，這也是企業(yè)不愿意購買機器的關鍵所在。

4 3D打印技術在機械零件設計運用中的優(yōu)化策略

為了增強3D 打印技術在機械研究設計中的廣泛應用，增強這一技術的領域常態(tài)化發(fā)展，就必須要完善當前的不足，針對問題該文提出了相應的完善策略。

4.1 加大宣傳與推廣，提升企業(yè)的接受能力

4.1.1 宣傳并更新設計理念

部分企業(yè)對3D打印技術接受能力不強，也說明了這一技術對某些企業(yè)而言還存在著技術不深入人心的情況，或者是技術在應用過程中并不能完全符合企業(yè)的制造過程，不論是哪一種方式，都說明了3D 打印技術還沒有形成一種常態(tài)化機制參與到制造企業(yè)中。首先，應該宣傳這類技術，讓更多的企業(yè)意識到3D 打印技術的優(yōu)勢性，逐步將機械零件過程轉移到通過這一技術來加強設計，降低零件設計的時間與成本，提高設計量產的速度，提升總體的生產效率。其次，更新設計理念。針對在企業(yè)中的不適應性進行有效的技術更新，提升機械產品生產加工過程中的集成度與穩(wěn)定性，對相應的生產過程進行深入的分析，妥善安置各個流程；針對不符合的地方進行開會討論，增減各個運行環(huán)節(jié)，完成產品生產的精度保障，同時也能夠較大程度上提升零件生產的質量水平。

4.1.2 政府參與技術的構建

由政府引導來建立3D打印技術中心，那么可以增強企業(yè)的接受程度。政府在設計過程中要構建示范中心，增強企業(yè)的參觀性與體驗性，在示范中心過程中，首先，建立模型設計機構，促使企業(yè)能夠直觀地看到3D打印機技術如何進行設計的創(chuàng)新優(yōu)化，短時間內形成模型的這一整體過程，增強企業(yè)的技術應用信心。其次，建立產品的批量化生產服務機構，讓企業(yè)了解整體性批量定制的技術應用優(yōu)勢，同時還能看到3D打印定制服務。最后，要對產生的產品進行技術檢測。企業(yè)在技術檢測中可以看到3D 打印技術所帶來的產品優(yōu)勢性，與傳統(tǒng)工藝相比，產品檢測合格率占據(jù)了優(yōu)勢，才能增加企業(yè)對于這一技術的接受能力。

4.2 增強技術研發(fā)，提升技術應用的量產速度

4.2.1 增強技術的研究與創(chuàng)新適應

當前3D打印技術還沒有完成全面性、批量化技術生產，也說明了技術在企業(yè)適應過程中具有較大的局限性。在未來的技術使用中，應該加大對技術的研發(fā)，促進機械零件產品的生產與技術具有較強的融合性，從而增強產品的量產速度[7]。這一過程離不開政府的參與引導。首先，政府要給予較多的財政支持，尤其是針對一些企業(yè)帶頭進行技術研發(fā)，政府要給予較大的財政優(yōu)惠或支持，用于鼓勵企業(yè)進行3D打印技術的適應性開發(fā)與研究。如果這類技術日趨成熟，能夠適應不同機械產品的設計與制作，那么企業(yè)的廣泛性應用以及批量化生產都會成為常態(tài)化趨勢。其次，建立技術研發(fā)生態(tài)網(wǎng)絡，促使3D打印技術的研發(fā)可以進行共享，不斷依據(jù)企業(yè)的發(fā)展要求來進行技術創(chuàng)新，能夠借鑒其他國家的技術戰(zhàn)略部署，以不同的研發(fā)單位作為研究整體，構建更多的服務平臺，以增強這類技術的技術應用與創(chuàng)新研發(fā)。

4.2.2 提升技術的自由設計能力

3D 打印技術實現(xiàn)了對原材料成型的創(chuàng)新設計[8]，通過軟件的圖像處理、數(shù)學建模，能夠對當前的傳統(tǒng)零件設計中的缺陷進行填補，提升了質量生產的合格率，這一過程必須要注重設計者的自由設計能力，不能局限于原材料的受限，也不受傳統(tǒng)工藝的影響，提高3D打印技術的創(chuàng)新能力才能增強這類技術的有效應用。因此，提升技術的量產速度關鍵在于技術設計的創(chuàng)新優(yōu)勢上，能夠改變傳統(tǒng)的生產工藝效率低下的問題，能夠增強產品的創(chuàng)新設計能力，這才是提升3D打印技術應用的關鍵所在。因此，企業(yè)要在3D打印技術中運用更多的自由設計理念，鼓勵設計者依據(jù)自身的想法來改變零件的結構，提升層層疊加后的技術效果。機械零件的創(chuàng)新設計是未來機械制造發(fā)展的一個趨勢，自由設計能力就顯得尤為必要。

4.3 運用價格補貼機制，降低成本問題

為了增強3D打印技術的有效應用，對于一些小型企業(yè)而言，降低價格成本，才能增強其使用的積極性，為此政府應該建立完善的價格補貼機制，促使更多的制造企業(yè)敢于嘗試這類技術。雖然短期內實現(xiàn)這類技術的快速應用并不現(xiàn)實，但是通過價格的補貼逐步實現(xiàn)3D 打印技術的全機械產業(yè)領域的應用是未來可期的一件事情。同時，還可以對目前使用這類技術實現(xiàn)規(guī)?；a的企業(yè)進行費用的減免，當企業(yè)形成一定的規(guī)模數(shù)量后，政府則可以制定相應的減稅規(guī)定，以此激發(fā)企業(yè)的技術應用激情，逐步了解3D打印技術的優(yōu)勢性。

5 3D打印技術的未來挑戰(zhàn)與發(fā)展特點

5.1 未來挑戰(zhàn)：技術開發(fā)豐富性較高

3D打印技術的行業(yè)應用較為廣泛，發(fā)展前景不可限量，深入社會的各個層面，未來的技術發(fā)展中也面臨諸多的挑戰(zhàn)。針對機械零件行業(yè)而言，其技術開發(fā)的豐富性更高，主要表現(xiàn)在如下幾個技術方面的完善與開發(fā)。

首先，高效制造技術的應用，高效制造是企業(yè)發(fā)展的必然趨勢。3D打印技術在現(xiàn)有的技術基礎上，要不斷發(fā)掘高效制造技術，能夠保證機械組織在一定的區(qū)域內實現(xiàn)材料的融合，在質量合格的基礎上不斷提升構建的高效優(yōu)化與完善能力。其次，精度控制技術的完善。對于機械零件而言，精度控制是關鍵所在，機械零件不同，其本身的精細度、厚度都有差異，3D打印技術通過電子掃描約束成型的精度，這一過程主要是光斑直徑影響。未來的發(fā)展中，通過光斑的精度設計來增強這些零件的精度技術控制能力，甚至會使精度滿足微納米級。

5.2 技術發(fā)展特點：個性、精簡、輕量

3D 打印技術的未來技術發(fā)展特點表現(xiàn)出了較高的個體需要，產品簡潔，輕量化設計。首先，滿足個性化設計需求。通過3D 打印技術對復雜結構的個體需求控制，產生更多的個性化需求高的產品。這也是3D打印技術自由設計的特點之一，能夠完成個性需求，要求對機械零件進行創(chuàng)新完善，促使其功能能夠滿足更多群體的需求。其次，設計更為精簡，凸顯了機械制造的方便與快捷，通過建模、切片，最終打印成需要的產品。降低了傳統(tǒng)的一系列生產工藝，節(jié)省時間的同時，增強了零件的結構性能，也說明了精簡并不降低其適用功能。最后，實施輕量化設計，這也是時代的需求與發(fā)展。隨著習近平綠色工業(yè)的提出，通過應用先進材料實現(xiàn)輕量化設計，也是滿足了節(jié)約成本的需求。傳統(tǒng)工藝對于加工制造的輕量化設計并不容易，通過3D打印技術則能夠實現(xiàn)自由設計的多孔度內部優(yōu)化，也是對輕量化設計的一個有效技術完善。通過使用最少的材料來完成全面的功能所需，彰顯時代發(fā)展的綠色、節(jié)約主題。