機(jī)械工件3D 打印關(guān)鍵技術(shù)分析

彭秋霖

（重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院， 重慶 402160）

引言

3D 打印技術(shù)是基于數(shù)字模型文件與使用粉末狀金屬等可黏合性材料，利用逐層打印的方式來構(gòu)造特定尺寸形狀的物體。近年來，3D 打印技術(shù)在模具制造、機(jī)械工件制造等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，突破了傳統(tǒng)機(jī)械工件制造工藝的局限性，對提升工件制造精度具有重要的意義，也為我國制造業(yè)發(fā)展帶來了更多的可能性。

1 3D 打印技術(shù)概述

1.1 3D 打印原理

3D 打印技術(shù)是以金屬、塑料等作為打印材料，接入計算機(jī)操作系統(tǒng)，預(yù)先在計算機(jī)上使用三維建模軟件來建立3D 數(shù)字模型，在模型中設(shè)定工件尺寸、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值、填充密度等參數(shù)，對模型進(jìn)行分層切片處理。隨后，連接計算機(jī)與3D 打印機(jī)，打印機(jī)識別軟件中的3D 模型，在計算機(jī)控制下將所準(zhǔn)備金屬等打印材料逐層疊加打印，打印材料在高溫條件下分解熔化，自噴頭持續(xù)向外噴出，通過低速旋轉(zhuǎn)送料盤來控制物體形狀，最終打印制造出特定造型與尺寸參數(shù)的機(jī)械工件，對工件表面稍加打磨即可。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

在機(jī)械工件加工制造領(lǐng)域中，3D 打印技術(shù)有著形狀復(fù)雜、材料復(fù)雜、層次復(fù)雜與功能復(fù)雜的特點(diǎn)，可以滿足絕大多數(shù)機(jī)械工件的加工制造要求，進(jìn)而取得降低加工成本、提升制造效率的效果。其中，形狀復(fù)雜特點(diǎn)是可以加工出任意形狀的機(jī)械工件，如圖1-1 所示，僅需提前在三維建模軟件中建立待加工機(jī)械工件的3D 模型，將模型導(dǎo)入3D 打印機(jī)即可，工件造型與成品質(zhì)量不會受到人工操作、作業(yè)條件等因素影響。材料復(fù)雜特點(diǎn)是可以使用塑料、陶瓷、金屬、砂等不同功能梯度、全彩色與異質(zhì)的打印材料，3D 打印技術(shù)近年來也呈現(xiàn)出多材料打印的發(fā)展趨勢，可使用的打印材料種類逐漸增多。層次復(fù)雜特點(diǎn)是3D 打印技術(shù)可以完成宏觀、微觀、介質(zhì)等多個層次尺度的3D 立體實(shí)物打印任務(wù)，在軟硬件條件良好情況下，甚至可以完成原子打印與細(xì)胞打印等高難度任務(wù)，這也是傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)無法做到的。而功能復(fù)雜特點(diǎn)是具備將多個零件進(jìn)行集成打印的使用功能，以此來簡化后續(xù)的零件焊接等加工步驟，如圖1-2 所示，將多個齒輪集成為一個齒輪組進(jìn)行一次性打印[1]。

圖1 3D 打印制造成品

1.3 機(jī)械工件3D 打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

3D 打印技術(shù)起源于20 世紀(jì)90 年代，由美國約翰霍普金斯大學(xué)、MTS 公司、賓州大學(xué)等機(jī)構(gòu)單位率先研究，將3D 打印技術(shù)引入至制造業(yè)中，用于制造機(jī)械工件。例如，MTS 公司推出一款基于3D 打印的大功率CO2激光熔覆沉積成形技術(shù)，用于制造內(nèi)龍骨腹板、翼根吊環(huán)等飛機(jī)零部件。而美國San-dia 實(shí)驗(yàn)室推出一項(xiàng)多金屬3D 打印技術(shù)，綜合使用不銹鋼、高溫合金等金屬材料來制造衛(wèi)星TC4 鈦合金零件，大幅縮短了該款零件的加工時間[2]。

與此同時，我國西北工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)等多家單位同步開展對3D 打印技術(shù)的研究工作，研究方向包括大尺寸鈦合金零件3D 打印、激光選區(qū)燒結(jié)、激光熔融沉積成形等，取得諸多顯著成果，在部分研究領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先地位。例如，西北工業(yè)大學(xué)推出一項(xiàng)飛機(jī)鈦合金左上緣條3D 打印技術(shù)，可打印質(zhì)量為196 kg、最大尺寸為3.0 m 的上緣條部件。而西安交通大學(xué)運(yùn)用3D 激光熔融沉積技術(shù)來制造具備定向晶組織結(jié)構(gòu)、最薄處厚度小于0.8 mm 的發(fā)動機(jī)葉片[3]。

2 機(jī)械工件3D 打印的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 LOM 分層實(shí)體制造技術(shù)

該技術(shù)是以塑料薄膜、金屬箔等薄片材料為原料，按照3D 模型識別結(jié)果來確定各層截面形狀，在高溫條件下輥壓片材，保持上下層成形工件的黏接狀態(tài)，隨后，啟動CO2激光器等設(shè)備，對黏接工件開展切割粘貼操作，在間隔部位切割形成保持上下對齊狀態(tài)的網(wǎng)格，由工作臺代工工件下降分離，并將材料放置在加工區(qū)域，重復(fù)開展上述操作，直至完成全部截面的粘貼、切割操作，獲取立體成型的零件。LOM 分層實(shí)體制造技術(shù)技術(shù)有著操作簡單、工件加工速度快的優(yōu)勢，多用于制造大尺寸機(jī)械工件，但會產(chǎn)生較大的材料損耗量，且工件表面觀感質(zhì)量不佳，需要慎重選擇。

2.2 PCM 無模鑄型制造技術(shù)

無模鑄型制造技術(shù)是我國清華大學(xué)近年來研發(fā)的一項(xiàng)工藝，生產(chǎn)人員預(yù)先使用建模軟件來建立工件CAD 模型，采取STL 文件形式來保存模型參數(shù)，再將模型轉(zhuǎn)換為鑄型CAD 模型，按照從上到下順序分層掃描模型參數(shù)與節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值，并按照自下至上順序逐層開展工件噴料、黏接作業(yè)，同時噴射兩種材料與催化劑，材料接觸時出現(xiàn)膠聯(lián)反應(yīng)，快速形成質(zhì)地堅固的材料層，待打印材料噴射完畢一段時間后，即可獲取機(jī)械工件產(chǎn)品[4]。

2.3 SLA 激光固化技術(shù)

激光固化技術(shù)是采取紫外激光逐層掃描液態(tài)光敏聚合打印材料來堆積成形固化物體的方法。在制造機(jī)械工件時，可以使用環(huán)氧樹脂或是丙烯酸樹脂等作為打印材料，將材料預(yù)先處理為液態(tài)，通過光聚合反應(yīng)，使分子量增大，控制打印材料由液態(tài)逐層轉(zhuǎn)換至固態(tài)，形成工件薄層，隨后，重復(fù)上述操作，持續(xù)形成若干層全新的工件薄層，直至實(shí)體工件的規(guī)格尺寸與三維模型完全一致。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來看，激光固化技術(shù)有著工件加工精度高、材料利用率高的優(yōu)勢，多用于加工復(fù)雜機(jī)械工件，但工藝成本相對較為高昂，當(dāng)前僅可使用環(huán)氧樹脂等少數(shù)幾種材料。

此外，可以搭配使用激光固化技術(shù)與熱等靜壓技術(shù)。激光固化技術(shù)負(fù)責(zé)制作機(jī)械工件外殼，在殼內(nèi)裝入異質(zhì)粉末材料，采取熱等靜壓工藝，使內(nèi)部填充粉末材料在高溫、高壓條件下燒結(jié)成形，完成鑄件致密化處理步驟，使外殼與內(nèi)部材料無縫連接成形，以此來突破激光固化技術(shù)可使用材料品種少、熱等靜壓技術(shù)難以加工異形復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的工藝局限性。

2.4 SLM 激光選區(qū)熔化與EBM 電子束選區(qū)熔化技術(shù)

首先，激光選區(qū)熔化技術(shù)需要配置平整輥、激光器與掃描鏡等設(shè)備，工作人員提前在作業(yè)臺鋪設(shè)塑料粉末、光敏樹脂粉末或是石蠟粉末材料，依次執(zhí)行預(yù)設(shè)程序、讀取3D 模型與下達(dá)控制指令的操作，啟動激光器，通過掃描鏡向作業(yè)臺發(fā)射激光束，在高溫條件下粉末材料出現(xiàn)燒結(jié)反應(yīng)，形成工件外部輪廓。隨后，重復(fù)開展鋪粉、激光束照射與燒結(jié)操作，直至完成機(jī)械工件的激光燒結(jié)作業(yè)，獲取成品工件。與傳統(tǒng)工藝相比，SLM 工藝有著加工速度快、操作簡單、成品質(zhì)量高的優(yōu)勢。

其次，電子束選區(qū)熔化工藝與SLM 工藝較為相似，同樣都是采取作業(yè)臺鋪粉、高溫條件下熔化、形成工件輪廓的方法，主要差異點(diǎn)在于，使用電子束取代激光束作為熱源，將金屬粉末在高溫條件下熔化形成熔池，持續(xù)開展電子束掃描作業(yè)，直至形成完整金屬零件。現(xiàn)階段，此項(xiàng)工藝多運(yùn)用于制造異形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的機(jī)械工件，但難以制造大尺寸的機(jī)械工件。

此外，在應(yīng)用SLM 激光選區(qū)熔化技術(shù)時，既可以直接將機(jī)械工件加工成形，同時，也可選擇組合應(yīng)用SLM 工藝與傳統(tǒng)模具制造工藝，使用3D 打印技術(shù)，在機(jī)加工底座上制作隨形冷卻流道，由此取代傳統(tǒng)打直孔的注塑冷卻方法，如圖2 所示，以此來改善模具冷卻效果。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在I、II 兩組模具分別采取打直孔與3D 打印隨形冷卻流道的冷卻方法時，I 組模具冷卻周期為24 s、平均注射溫度為95 ℃、溫度梯度為12 ℃，II 組模具的冷卻周期為7 s、平均注射溫度為68 ℃、溫度梯度為4 ℃，將工件缺陷率從60%降低至0%，取得顯著的模具冷卻效果[5]。

圖2 SLM 工藝

2.5 EBF 電子束熔絲沉積成形技術(shù)

電子束熔絲沉積成形技術(shù)采取真空環(huán)境下啟動送絲裝置向熔池內(nèi)按特定軌跡送入金屬絲的加工方法，使用電子束作為熱源，金屬絲在高溫條件下熔化沉積，在一段時間后隨溫度降低而凝固形成特定形狀的零件或是毛坯，以完成機(jī)械工件加工任務(wù)。目前來看，EBF 工藝有著加工效率高、工件內(nèi)部質(zhì)量好的優(yōu)勢，但工件表面質(zhì)量不佳，加工精度有待提高，主要用于加工機(jī)械工件毛坯，需要對沉積成形的工件表面進(jìn)行打磨處理，同時，無法將塑性過差材料加工為絲材。

3 機(jī)械工件3D 打印技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

3.1 曲軸零件

曲軸零件是發(fā)動機(jī)等設(shè)備軸類結(jié)構(gòu)的重要組成部分，起到扭矩傳遞作用，傳統(tǒng)加工方式多為切削加工，控制刀具切除工件上多余材料層，獲取特定幾何形狀與尺寸參數(shù)的曲軸零件。然而，由于曲軸零件多為軸旋轉(zhuǎn)體，有著軸向尺寸大、加工過程復(fù)雜的特點(diǎn)，采取切削加工方法時的作業(yè)效率與成型準(zhǔn)確度較低。

因此，可以采取3D 打印技術(shù)來加工曲軸零件，提前建立3D 模型，在模型中對油孔道結(jié)構(gòu)、止推面結(jié)構(gòu)與曲軸退刀槽部位進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，并賦予曲軸零件以潤滑、支撐、連接等多項(xiàng)使用功能，以此來提升曲軸零件的強(qiáng)度、剛度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，避免在后續(xù)使用期間出現(xiàn)油液外泄情況。隨后，可選用FDM 熔融沉積成形等工藝，將金屬粉末或金屬絲在高溫條件下熔化、凝固成形，完成曲軸零件加工作業(yè)。

例如，在選用LOM 分層實(shí)體制造工藝時，需要配置FDM 型打印機(jī)設(shè)備，提前完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化與曲軸3D模型調(diào)整操作，重新命名曲軸名稱，使用軟件自帶功能檢測模型完整性，確定無誤后，對曲軸3D 模型進(jìn)行切片、導(dǎo)入處理，在FDM 打印機(jī)中設(shè)定成型方式、切片厚度等參數(shù)，根據(jù)生產(chǎn)需求來選取橫向成型方式或是豎向成型方式，橫向成型方式可以縮短曲軸零件加工時間，豎向成型方式可以節(jié)省一部分材料[6]。

3.2 箱體類零件

箱體零件普遍具有內(nèi)表結(jié)構(gòu)復(fù)雜、密封要求嚴(yán)格的特征，如閥體箱體零件與減速器箱體等，如果采取傳統(tǒng)的鑄造工藝，難以滿足箱體類零件的加工精度要求，容易產(chǎn)生細(xì)微加工誤差，進(jìn)而破壞箱體零件的密封效果，在后續(xù)使用期間出現(xiàn)內(nèi)部物質(zhì)外泄的情況。

為解決加工精度不足的問題，需要應(yīng)用到3D打印技術(shù)。例如，洛克希德·馬丁公司應(yīng)用3D 打印技術(shù)制造一款直徑為46 英寸的鈦容器衛(wèi)星燃料箱，該燃料箱由2 個3D 打印圓頂與1 個鈦圓柱體組成，綜合采取LOM 分層實(shí)體制造、FDM 熔融沉積成形等工藝，所制成鈦容器衛(wèi)星燃料箱有著極高的加工精度和良好密封效果，充分適應(yīng)衛(wèi)星發(fā)射與運(yùn)行期間的復(fù)雜環(huán)境，理論上可以在太空真空環(huán)境中完成10 年以上的任務(wù)，且該款衛(wèi)星燃料箱的總交付周期從兩年縮短至3 個月，預(yù)鈦制圓頂?shù)慕ㄔ鞎r間縮短了87%，取得顯著的技術(shù)應(yīng)用效果[7]。

3.3 液壓閥塊

液壓閥塊具備控制油液流動壓力、方向與流量等多項(xiàng)要素的使用功能，工件內(nèi)部存在若干數(shù)量液壓油氣孔道。由于液壓閥塊零件的使用功能過多、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在采取傳統(tǒng)制造工藝時的設(shè)計、加工難度較大，加工精度及作業(yè)效率有待提升。

因此，為彌補(bǔ)液壓閥塊傳統(tǒng)制造工藝的弊端，需要應(yīng)用到3D 打印技術(shù)，提前在3D 模型中對液壓閥塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，控制形位公差，采取EBM 電子束選區(qū)熔化、SLM 激光選區(qū)熔化等工藝加工液壓閥塊，通過調(diào)節(jié)金屬粉末用量來控制流體流向以及液壓閥塊重量。例如，意大利aidro hydraulics公司采取3D 打印技術(shù)來定制化生產(chǎn)高性能特殊液壓閥體，使用不銹鋼材料制造出首個具備控制單作用氣缸功能的液壓閥，閥體體積遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)設(shè)計的液壓閥塊。

4 結(jié)語

在機(jī)械工件制造領(lǐng)域中，3D 打印技術(shù)有著極為突出的優(yōu)勢作用，為機(jī)械工件研制提供更高的設(shè)計自由度、加工精度與成品質(zhì)量，使得成型工件充分滿足使用需求。在這一技術(shù)背景下，制造企業(yè)應(yīng)對3D打印技術(shù)予以高度重視，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需要，靈活應(yīng)用LOM、EBF、SLM、EBM、SLA 等工藝技術(shù)，制訂一套科學(xué)、合理的機(jī)械工件3D 打印方案。