淺析3D打印技術在選礦機械中的應用

李文雅

摘要： 本文從3D打印技術發展入手，分析了3D打印技術的原理和分類，創新性地將其融入到選礦機械方向，從選礦機械教學、零件修復、展示宣傳、新設備研發四個方面探討了3D打印的應用。分析表明：3D打印技術將會對傳統的選礦機械行業產生變革性的影響，具有長遠的發展潛力和巨大的經濟效益。

Abstract： Based on the development of 3D printing technology， this paper analyzed the principle and classification of 3D printing technology， incorporated it into the mineral processing machinery direction innovatively， discussed the application of 3D printing from mineral processing machinery teaching， repair parts， display of publicity， new product research. The analysis shows， 3D printing technology will have a transformative impact on the traditional mineral processing machinery industry， and have long-term development potential and enormous economic benefits.

關鍵詞： 選礦機械；3D打印；教學設計；零件修復

Key words： mineral processing machinery；3D printing；instructional design；parts repair

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）22-0185-02

0 引言

3D打印技術是制造業領域正在快速發展的新興技術，以其數字化、網絡化、個性化、定制化等特點，被譽為是“推動第三次工業革命的重要生產工具”[1]，3D打印技術對我國制造業的發展起著極其重要的推動作用，其應用領域十分廣泛，包括航空航天、武器裝備、工業設計與制造、醫療、文化、珠寶首飾、建筑等多個不同行業[2-5]。2013年，國家科技部公布《國家高技術研究發展計劃（863技術）》和《國家科技支撐計劃制造領域項目征集指南》中，3D打印技術首次入選，限期我國眾多學者對3D打印技術深入研究，發現其具有的快速性、準確性及擅長制作任意復雜形狀的特性，能夠有效推動我國各行各業快速發展。但是目前3D打印技術很少提到選礦機械行業的應用，將兩者融合是選礦機械發展方向的全新嘗試。

1 3D打印原理及分類

3D打印（3 Dimensional Printing，三維打印）的學名為增材制造（material additive manufacturing），是以數字模型為基礎，利用粉末狀金屬、熱熔性塑料、光固化樹脂、陶瓷粉末等可粘接材料，通過逐層打印疊加而制造復雜形狀零件的方法。主要的分類為[6]：

①SLA光固化成型技術：以光敏樹脂為原料，激光照射后樹脂薄層產生光聚合反應而固化，形成零件的一個薄層，逐層累積。

②FDM熔融層積成型技術：將絲狀的熱熔性材料加熱融化，選擇性地涂敷在工作臺上，快速冷卻后形成一層截面，一層一層堆積直至形成整個實體。

③SLS選區激光燒結技術：通過預先在工作臺上鋪一層粉末材料，然后讓激光對粉末進行燒結，然后不斷循環，層層堆積成型。

④LOM分層實體制造法。根據零件分層集合信息切割材和紙等，將所獲得的層片粘接成三維實體。

2 3D打印技術在選礦機械方向的應用

2.1 選礦機械教學

目前，我國高校的選礦機械教學多數采用的是傳統的PPT教學模式[7]，即教師多使用語言、文字和圖片描述教學內容，盡管利用UG、SolidWorks、ADAMS、Proe、Catia等三維建模軟件能夠實現選礦機械的三維可視化，但多媒體課件展示的教學三維模型也無法使學生直接接觸和觀察選礦機械的實際結構和工作原理。而形象直觀的選礦機械模型定制花費很高，有些甚至是無法定制的，因此很少有學校進行配備。而且需要專門的教學設備制作公司制造，更新速度慢，根本無法適用現代選礦機械多變化、多樣化、迅速發展的特性。

3D打印則提供了無限的創造空間，教師可以方便地自主制作和打印選礦機械模型，以形象直觀可觸摸的三維模型展示教材中提取的二維信息，并可設計個性化教學模型來適應課堂教學內容的多變化，學生也可以觀察、觸摸和組裝選礦機械零件模型，將很大程度加深學生對于選礦機械的實際結構、原理等的理解。3D打印也可以進行選礦機械的實踐教學，讓學生從選礦機械的設計到打印全部參與，促進學生的設計能力、觀察能力和動手能力，進一步提高學生的創新能力。

2.2 選礦機械零件修復

選礦機械屬于大型機械設備，造價昂貴，缺少備件，工作環境惡劣，容易產生損壞，損傷模式復雜，造成維修成本較大，一旦出現損壞，會造成生產線中斷，出現較大經濟損失。選礦機械的易損零部件可分為直接工作件類、結構件類型、傳動系統件類三種，如顎式破碎機的顎板、跳汰機篩板、傳動齒輪等，目前采用激光熔覆技術來修復受損表面，但其沒有三維造形功能，因此無法恢復設備易損零部件的待修復區結構原形，僅僅實現簡單的涂覆，后期還需要進一步打磨等后處理工藝[8]，而3D打印激光成形修復技術解決了激光熔敷技術在成形方面的缺陷，綜合了三維成形與表面強化技術的特長，同時可以實現多材料的復合制造，利用Fe基、Co基、Ni基等可熔金屬作為粘接劑，并加入TiC、ZrO2、SiC、Al2O3等陶瓷作為增強相修補至易磨損部分，使得零件的耐磨性、硬度得到大幅提升，適合用于解決選礦機械的受損修復問題，可以迅速精確地實現受損設備的維修保障，它將會是未來顛覆傳統機械加工設備維修保障技術的手段。

2.3 選礦機械宣傳展示

選礦機械由于體積大、重量大，難以搬運等特點，因此國際國內設備展覽會，如加拿大多倫多國際礦業展覽會、南非國際礦山機械展覽會、全國礦物加工前沿技術與裝備大會上進行展示時需要耗費龐大的人力、物力和財力，若只進行部分小型設備展覽，或者設備宣傳片的播放，可以達到節約成本的目的，但根本達不到預期的宣傳效果。將3D打印技術應用于選礦機械展示中，以打印選礦機械模型取代實體機械設備，可以大大節省搬運、安裝過程中造成的損耗，完全可以取代傳統的單一平面宣傳方式。

2.4 新選礦設備研發

選礦機械開發周期的縮短，意味著設備能夠盡快投入生產，但選礦機械設備的原型機制作將花費較長時間，并且原型機的測試需要對產品原型進行性能測試和嚴格的工程評價，以實現設計缺陷的及時反饋，盡最大可能地降低選礦機械設備開發風險。采用3D打印技術可大大縮短選礦機械原型機的制作時間，從以往的幾個月縮短至幾個星期甚至幾天，及時實現市場的快速響應[9]。

目前選礦機械多為組裝結構，有些組裝結構增加的產品的質量、體積、復雜程度和故障幾率，在生產和裝配過程中浪費大量的人力物力，而3D打印采用增材制造，使得結構一體化，不僅提高了生產效率，也提高了零件的結構強度和可靠性，使得復雜的機械結構和原理得以簡化實現，讓制造和裝配工藝不再是設計師想象力的束縛。

3 總結

本文創新性地將3D打印融入選礦機械方向，主要從選礦機械教學、選礦設備修復、展示宣傳、新設備研發闡述了3D打印的應用，其快速性、準確性及擅長制作任意復雜形狀的特性，將會對傳統的選礦機械行業產生變革性的影響，是選礦機械行業一個全新的發展方向，具有潛在的技術優勢和廣闊的應用前景，將在選礦機械領域產生巨大的經濟效益。

參考文獻：

[1]Berman B. 3-D printing： The new industrial revolution[J]. Business horizons， 2012， 55（2）： 155-162.

[2]李小麗， 馬劍雄， 李萍，等.3D打印技術及應用趨勢[J].自動化儀表，2014，35（1）：1-5.

[3]譚立忠，方芳.3D打印技術及其在航空航天領域的應用[J]. 戰術導彈技術，2016（4）.

[4]張海榮，魚泳.3D打印技術在醫學領域的應用[J].醫療衛生裝備，2015，36（3）：118-120.

[5]王子明，劉瑋.3D打印技術及其在建筑領域的應用[J].混凝土世界，2015（1）：50-57.

[6]張學軍，唐思熠，肇恒躍，等.3D打印技術研究現狀和關鍵技術[J]. 材料工程，2016，44（2）：122-128.

[7]江務學，祝衍軍，汪嘉.現代教育技術支持下的高職教學模式研究[J].安徽電子信息職業技術學院學報，2013，12（2）：54-57.

[8]高霽，宋德陽，馮俊文.工藝參數對鈦合金激光熔覆CBN涂層幾何形貌的影響[J].表面技術，2015（1）：77-80.

[9]高越.3D打印技術影響下設計師與產品設計的重新定位[D].北京理工大學，2015.