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      3D打印方法在機械加工制造中優勢淺析

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      3D打印方法在機械加工制造中優勢淺析

      摘要:本文從當前3d打印成形方法和它在機械加工制造應用優勢等方面著手,對現有的成形3D打印成形方法進行歸納總結,并在此基礎上對3D打印技術在機械制造加工領域的優勢進行闡述,并指出3D打印技術應該朝著功能化、高精度、高強度等方向發展。

      關鍵詞:3D打印;成形方法;機械加工制造

      0引言

      3D打印作為近年來興起的新型成形加工技術,與傳統加工工藝相比,具有數字化、快速性、工藝簡單等特點,在機械加工制造領域有著廣闊的應用前景[1,2],但該技術在材料選用、產品強度和剛度方面還存在不足[3],影響該技術的進一步發展。因此,為了更好地厘清其發展方向,本文對當前3D打印技術的主要成形方法進行總結,并對其在機械加工制造中的優勢進行歸納,為該技術在機械制加工造領域更好的發展應用提供思路。

      13D打印成形方法

      3D打印不同于傳統的切削、鑄造等制造工藝,而采用增材制造的方式,利用材料的離散堆積原理來成形產品,該方式具有數字化、速度快、成本低等特點[4-5]。目前,國內外高校、科研院所對3D打印技術的開發和應用展開相關研究。為了對3D打印技術的發展和應用有更明確的認識,本文從3D打印技術成形方法和機械加工制造的應用優勢等方面展開論述,并對其進行總結、展望,圖1為3D打印流程圖[4]。

      1.1光固化成型方法(SLA)。光固化成形方法是一種常見的3D打印成形方法,它以光敏樹脂為原材料,通過激光器或光源發出光束對光敏樹脂進行切片信息的路徑掃描,使光敏樹脂吸收能量,產生化學反應而固化成形的一種工藝技術,該技術具有精度較高、成形速度快等特點[6],但也存在設備昂貴和污染環境等問題,且成形后一般需要二次固化才能更好地進行生產應用[4]。

      1.2熔融沉積成形(FDM)。FDM成形技術是一種同步送料熔化成形工藝,最早由ScottC博士提出,它由伺服電機、送絲機構、噴頭、原材料、支撐材料等部分組成[4],通過加熱噴頭,使噴頭內的材料加熱后融化,再以一定的壓力擠出至切片信息規劃好的路徑來成形,通過層層堆積、疊加,最終成形工件或產品。該技術具有成本低、清潔性好、后處理工藝簡單等特點,但也存在成形精度、表面質量不高等問題[7]。

      1.3激光選區燒結(SLS)。SLS燒結技術是將激光器作為能源,在已經鋪好的粉末上面按照規劃路徑進行掃描照射,使粉末達到融化點,進行燒結并與下方成形部分實現粘結。當成形后,工作臺面下降一定的高度重新按照切片信息進行燒結成形。在燒結完成后去掉多余部分粉末,再進行后續處理。該技術具有材料使用范圍廣、工藝簡單等特點,但也存在成形零件精度有限,成本較高,性能不太理想等缺點[8]。

      1.4激光選區熔化(SLM)。SLM技術是德國首先提出,該方法是通過激光按照切片信息路徑在基板上熔化粉末材料,并將它們成形的技術,在成形后成形缸體和粉末缸體分別下降和上升一定的距離,鋪粉裝置再重新進行鋪粉,進入下一個成形循環,直至成形工件。該技術具有成形材料范圍廣、利用率高、成形精度較高、表面質量較好等特點[9]。

      1.5激光近凈成形(LENS)。LENS成形技術由美國最早進行開發,可對復雜零件進行直接成形的技術。該技術集激光熔覆技術和快速成型技術為一體,對材料進行成形。它具有成形時間短、速度快、成形相對柔性化、材料范圍廣等特點,具有較高的應用價值[10]。

      1.6電子束熔絲沉積(EBDM)。EBDM成形技術最早由NASA開發,它是在真空環境中,通過電子束在金屬表面來形成熔池,在送絲機構的工作下,將材料運送到熔池處,按一定的運動軌跡來成形工件。該技術具有材料利用率高、成形快等特點,但是也存在應用環境受限、缺乏相關標準等問題[11]。

      1.7三維立體打印(3DP)。三維立體打印技術最早由麻省理工CimaM.J.和ScansE.M.等人在1992年聯合研發,它是一種基于噴射液滴來成形的一種打印工藝,它是在脈沖信號控制電磁閥開關的背景下,高壓氣體進入噴頭腔體內,瞬間擠壓出液滴,按照預定的路徑,噴射到成形基板的粉料上,通過層層堆積來打印成型產品。該技術具有無支撐、成形速度快等特點,但是打印出的產品強度、精度不高,不適宜用在一些高強度、高精度環境下[4,12]。

      23D打印在機械加工領域的應用優勢

      由于3D打印技術具有較高的商業應用價值、智能化制造等優點,也具有快速用來對新產品進行設計驗證等功能優勢,為該技術在機械加工制造領域中的應用提供了可靠保證[13-14]。

      2.1智能化制造。在傳統的機械加工制造中一般先進行毛坯件的鑄造,然后根據零件圖紙擬定加工工藝,再進行相應的加工制造,整個加工過程智能化水平較低。而3D打印則是智能化的制造過程,它首先根據建模軟件進行建模,然后對零件模型進行處理,并根據處理信息進行打印成形,整個加工制造過程相較于傳統的機械切削加工方式,省去了毛坯、圖紙的制作、擬定加工工藝路線等步驟,而是直接根據計算機的處理的三維模型信息來打印成形零件,整個打印制造過程全程智能化。

      2.2經濟性好。在機械加工制造中,需要經常用到異形件、不規則件等非標準件,這些零部件由于屬于非標準件,適用范圍和數量都較少,但又不可或缺。在傳統制造方式下,對于這類型零部件只能進行單獨設計和加工制造,但這樣的加工制造方式需要耗費大量的財力、物力和人力,經濟性較差。而在3D打印制造過程中,在零部件在滿足強度和使用環境的前提下可直接用3D打印方法打印出相關零部件,應用到機械產品中,這樣不僅能夠縮短零部件制造時間,而且能夠降低制造成本,提升經濟性。

      2.3材料利用率高。傳統的機械加工,一般是在較大的毛坯件上進行切削掉多余部分來成形零部件,但這樣的加工制造方式會造成材料大量浪費,材料利用率低。而3D打印成形零件的方法相比于傳統機械加工方式來說,它采用增材制造的方式進行零部件的制造,在這個過程中材料基本沒有浪費,實現了材料的最大化利用,提升了材料利用率。

      2.4縮短產品開發驗證周期。產品驗證對于機械加工制造的產品來說,有著至關重要的地位。在過去,傳統制造方式下,產品的驗證周期比較長,它不僅需要大量設計零部件,還需要對這些零部件進行加工制造和組裝。在某些特殊情況下,一些新設計的特殊零部件,還需要新開發模具進行制造,在這種背景下,從設計到制造完成會產生較長的等待周期,導致整個新產品開發過程耗費時間過長,不利于企業快速將新產品推向市場。而3D打印技術能夠迅速按照新產品的零部件模型,通過增材制造的方式快速制造出來,從而以最短的時間完成對新產品的組裝驗證,大大縮短了新產品的開發驗證周期,為新產品快速推向市場提供了有力保證,圖2為美國LocalMotors公司耗費44小時打印的汽車模型。

      3結語

      本文一方面通過對3D打印技術的成形方法進行分析,對不同成形方法進行對比總結,另一方面,針對3D打印技術在機械加工中的優勢進行歸納,得出該技術具有智能化制造、經濟性好、材料利用率高、縮短開發周期等特點。相信,隨著3D打印技術和信息技術的發展,3D打印技術必將朝著功能化、高精度、高強度的方向發展,其應用范圍必將越來越廣。

      作者:蔣龍 姚曉彤 單位:山東建筑大學機電工程學院

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