基于3D打印技術的機械零件創新自由設計

陳博文

摘 要：隨著社會經濟的發展，高新技術的進步，3D技術得以快速發展。尤其是近幾年來，3D技術因為自身的特殊性，應用在航空航天、工業、醫療、服裝等領域。在國家提出相應的政策之后，更加彰顯了智能化3D技術的重要性。本文探索了基于3D技術的機械零件創新設計，分析了機械行業的發展，希望能夠幫助到相關技術人員。

關鍵詞：3D打印技術；機械零件；創新自由設計

當前，3D打印技術已經融入到各個行業，對于傳統的制造業有著巨大的影響。在傳統工業當中，有著多種加工制造很麻煩，需要耗費的時間比較長，如空間曲面、復雜內腔等。傳統加工制造所需要的步驟較多，耗費時間長也是不適合現在時代發展的一個重要原因。對于3D打印技術來說，區別于傳統技術，在制造復雜結構的零件上有著很大的優勢。除了這些之外，3D打印技術對于免裝配制造也發揮著重要的作用。當前3D打印在汽車、軍工、航天等領域受到了關注。同樣的，在機械制造業也逐漸代替傳統的技術。

一、3D打印技術的概念

3D打印是增材制造概念的一種延伸，一般來說，增材制造是區別于傳統技術當中的減材手段，在進過鍛造之后使用材料形成最終產品的類工藝技術。3D打印是通過將三維建模并且切片之后，使用3D打印機逐層制造出來產品。其主要的原理是在于，開始是設計師在計算機上使用專業軟件進行繪圖制作，然后將零件進行模型化，對于每一個切點都有著顯著規定，得到了切面的具體數據之后，根據這些數據通過掃描噴涂熱熔材料，形成截面輪廓，最終得到產品。同時，我們可以將材料之間的材質進行劃分，最終形成為金屬3D打印和非金屬3D打印，目前發展較為穩定，使用范圍最廣的幾種技術是：光固化成型工藝、激光選區燒結工藝等。

只是，作為一種借助高新技術發展的新興技術，3D打印技術有著很多作用，在不少行業當中發揮著重要的作用，但是當前的3D打印機造價比較高，打印的材料很貴，小型的企業根本就無法承受，而且，受到技術的影響，可以打印的種類比較少，在尺寸和規格上也受到了限制。

二、面向3D打印技術的創新自由設計方法

隨著3D打印技術的發展，加上市場需求，當前出現了一種理念豐富新穎的設計方法，我們可以稱之為自由設計。主要是以功能性作為首要目的，設計過程主要是為了功能服務，我們也可以稱這種技術為面向增材制造的設計方法。

相較于傳統的設計方法，自由設計有著不少特點。首先，可以進行個性化設計，不受加工工序的影響，對于一些曲面結構、多孔結構、中空結構都能輕松的完成。設計唯一需要考慮的是所有的材料問題。其次，可以進行精簡化設計。不用使用刀具、夾具，節省了時間，而且對于傳統設計中為了后期加工需要預留的結構都可以省略。最后，可以進行輕量化設計，降低了成本。傳統設計中，因為不少零件的結構比較復雜，在設計的時候無法做到輕量化。現在基于3D打印技術，可以使用較少的材料完成質量合格的產品，也符合當前時代發展的需求。此外，還可以進行免組裝設計，包括運動副和功能結構的免組裝，將多個結構集成到一個零件上，省去不必要的步驟，提高了整體的效率。

三、基于3D打印技術機械零件的創新自由設計方法

（一）軸套類零件

一般來說，對于軸套類的零件，其主要結構是同軸旋轉體，軸向尺寸與徑向尺寸相比，是要遠遠大于的。不過，這種零件還是起著傳遞扭矩的作用。而且此類零件目前加工方法是切削加工，對于形狀和尺寸都有著嚴格規定，加上需求增多，通常都是采用大批量生產。但是當前的3D打印技術不適合這種批量作業，反倒是對于生產要求較高的單個零件有著便利性。我們在進行軸套類零件的設計時候，需要優先考慮它是準備做什么，等到明確之后在進行結構設計。改變內部實心結構為夾層結構，在滿足質量的同時減少重量。

（二）箱體類零件

第一，箱體類零件包括閥體、泵體、減速器箱體等，不管是內在結構還是外在心態都很復雜，一般來說普通人很少見到這種零件，其主要適用于容納、密封。

第二，在傳統加工過程中，箱體類零件的制造對于鑄造模式有著要求，在進行大批量生產的時候會選擇金屬模機器，但是因為需求精度的高質量影響，在進行制造的時候若是出現誤差，很容易影響到一批零件。而通過3D打印技術形成的箱體類零件，不但準確度滿足要求，而且并不會有復雜的其他加工，避免了裝夾問題，減少了生產所需要的時間，能夠有效控制失敗率，減少材料、人力、設備的消耗。

（三）盤蓋類零件

第一，盤蓋類零件通常是用作箱體零件的銜接，一般來說都是呈現圓形和方形的扁平狀結構，軸向尺寸較之徑向尺寸小很多。

第二，盤蓋類零件功能一般來講主要有軸向定位、堅固等作用，我們在進行自由設計的時候，可以使用3D打印技術對內部結構進行優化，提高實用性和美觀性，減少冗余的功能。比如，在軸承端蓋去除拔模斜度的不必要特征。

（四）叉架類零件

第一，在平常生活中，我們經常見到的叉架類零件都是呈現不對稱的樣式，除了同一種零件之外，其他的形狀相比較有著很大的不同，比如，撥叉、連桿、搖臂等。在使用中主要是為了更好的連接和轉動零件。

第二，因為叉架類零件對于孔的精確度要求較高，而且受到加工零件材料的影響，在加工時很容易出現變形的狀況，所以在加工的時候需要用到不同的夾具，浪費了大量的時間。而借助3D打印技術能夠快速的生產出來，不用擔心裝夾時產生的誤差影響了整個零件的作用。

四、結語

本文結合3D打印技術的概念和效果，研究了在機械零件制造的作用。3D打印企業應用中，不但可以更好、更快的制造出復雜的零件，同時對于零件的精確度有著嚴格把控。相對于傳統加工工藝，3D打印無論是在結構創新、功能優化還是在時間成本上都有著卓越的成果。只是當前3D打印機所需要的成本昂貴，還無法完全性的普及，不過隨著技術的發展，肯定能夠研究出日常使用的3D打印機。

參考文獻：

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