探討3D打印應用于有色金屬設備制造領域

李繼明

（甘肅能源化工職業學院，甘肅 蘭州 730207）

2016年4月6日國務院總理李克強主持召開國務院常務會議，會議通過了《裝備制造業標準化和質量提升規劃》，要求對接《中國制造2025》，內容中提出了堅持“創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本”的基本方針，堅持“市場主導、政府引導，立足當前、著眼長遠，整體推進、重點突破，自主發展、開放合作”的基本原則，通過“三步走”實現制造強國的戰略目標：第一步，到2025年邁入制造強國行列；第二步，到2035年中國制造業整體達到世界制造強國陣營中等水平；第三步，到新中國成立一百年時，綜合實力進入世界制造強國前列[1]。將增材制造列為制造業創新中心重點的建設工程。3D打印是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料、樹脂等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。我們可以充分利用3D打印技術的突出優點，促進其在有色金屬設備制造領域的應用。

1 3D打印的發展進程及其應用領域

3D打印技術出現在20世紀90年代中期，實際上是利用光固化和紙層疊等技術的最新快速成型裝置。它與普通打印工作原理基本相同，打印機內裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。從2001年起，我國開始重點發展以鈦合金結構件激光快速成型技術為主的激光3D打印技術。例如：殲-15廣泛使用了3D打印技術制造鈦合金主承力部分；C919大飛機的中央翼根肋也使用了3D打印技術。我國成為世界上繼美國之后第二個掌握飛機鈦合金結構件激光快速成型技術的國家。目前，3D打印技術已在工業造型、機械制造、航空航天、建筑、家電、輕工、醫學、文化藝術、雕刻、首飾、食品等領域都得到了廣泛應用。并且隨著這一技術本身的發展，其應用領域將不斷拓展[2]。

2 3D打印技術特點

①高度柔性：適應性非常強；特別適合個性化和單件、小批復雜結構零件生產；②CAD模型直接驅動：是一個自動化的成形過程；③設計、制造一體化：使CAD、CAM、CAPP很順利的結合在一起，實現了數據信息設計過程和零件成形過程的一體化；④快速制造：零件制造從CAD設計到零件加工完畢，只需要幾小時到幾十小時，甚至幾十分鐘即可實現，可大大縮短新產品開發周期；⑤制造成形自由化：不受任何專用工具和模具的限制，也不受零件復雜程度的限制就可自由成形；⑥技術的高度集成性：是CAD/CAM技術、計算機技術、數控技術、激光技術、新材料技術和機械加工等多學科技術的高度集成；⑦材料使用比較廣泛：金屬、紙張、樹脂、塑料、石蠟、陶瓷、水泥、石膏、型砂、食品、細胞等多種材料在快速原型制造領域已有很好的應用。

3 3D打印技術與常規制造技術的關系

①是一種增量（或者叫增材)制造技術；②是對傳統常規制造技術的有益補充，不能替代常規制造業；③是實現直接制造、桌邊制造和批量定制的新型制造方式；④D打印為傳統制造業注入了活力，“超越了”傳統制造業；⑤目前存在的瓶頸：零件制造精度還有待進一步提高、零件制造成本有待進一步降低、材料種類有待進一步開發。

4 3D打印技術在有色金屬裝備制造中的應用分析

（1）提供新的設計思路。我們都知道，傳統的有色金屬裝備，設計周期都很長，短則數月，長則好幾年。而利用3D打印技術可以實現快速制造：零件制造從CAD設計到零件加工完畢，可大大縮短新產品開發周期。這樣的話，我們可以把更多的精力用在生產和企業的效益上面，提高了整體的綜合效率。從想象到現實，3D打印正在以“只有我們想不到沒有它做不到”的速度顛覆我們傳統的生活和生產模式。通過軟件的設計圖紙是3D打印的大腦。正像紙筆手繪是工匠在制造手工作品過程中的靈魂，設計文件指導3D打印機如何打印。設計軟件和3D打印技術的共同飛躍改變了人們設計與制造物體的方式，它們的結合使一切皆有可能。

（2）可以解決常規方法不能加工的結構。例如，偏鎢酸銨主要用于石油裂化、環保等領域。近些年，由于霧霾治理等環保產業的快速發展，原料供應廠家發生了變化，以及客戶對質量提出了新要求，使其生產設備生產線遇到了兩個較大的難題。第一個是新的干燥設備在調試期間，產品質量很不穩定。第二個是主要原料的雜質成分復雜多變，每一批次的生產工藝都需要進行一些微調。采用3D打印技術可以加工成一種熱風循環干燥箱，代替原有的烘箱，減輕了勞動強度，提高產品質量。此外，在因高耗能而被稱為“電老虎”的電解鋁行業，河南中孚實業股份有限公司利用3D打印技術調試，解決了長期困擾電解鋁生產的世界性難題——鋁電解系列不停電停開槽技術，這些都是常規加工方法不能夠做到的。

（3）縮減有色金屬設備制造成本。3D打印特別適合個性化和單件、小批復雜結構零件生產。這時候我們可以選擇合理的材料滿足設備的性能，采用3D打印技術。此外，我們可以針對3D打印的設計，減少返工成本。在使用3D打印技術時，設計思路和注意事項與使用傳統制造技術時的設計不同。最后，對于工業級的3D打印，仿真可以說必不可少，不僅幫助減少失敗，還可以提高零件質量，而且有助于縮短有色金屬設備制造商的學習曲線。

5 結語

3D打印并不是萬能的，面臨的問題主要有材料和機器的限制、知識產權的憂慮、道德的挑戰等等。首先，雖然高端工業印刷可以實現塑料、某些金屬或者陶瓷打印，但無法實現打印的材料都是比較昂貴和稀缺的。其次，3D打印技術在重建物體的幾何形狀和機能上已經獲得了一定的水平，幾乎任何靜態的形狀都可以被打印出來，但是有色金屬設備大多復雜而且對運動性能要求過高，因此還是需要實驗調整材料配方和制作流程才能使其穩定。這些都需要我們經過多方面考慮和驗證來共同提高3D打印技術在有色金屬裝備制造中的廣泛應用。