基于3D打印技術的機械零件創新自由設計

馬麗

摘 要 近年來，3D打印技術獲得了飛速發展，其以高效一體化、可制造復雜結構的優點，在考古、醫療、藝術、工業、服裝、軍事、建筑、航空航天等領域發揮著重要作用，并在全球高端裝備制造中占據重要地位。因此，研究基于3D打印技術的機械零件創新自由設計，是未來高端裝備制造業向著綠色智能化方向發展的必經之路。

關鍵詞 3D打印技術 機械零件 創新自由設計

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

0引言

現階段，3D打印技術在社會上的眾多領域獲得了較為廣泛的應用，并且，3D打印技術逐步趨向成熟。其中，3D打印技術在航空航天、軍工業、機械設計制造、汽車行業等領域的應用勢頭良好，文章就3D打印在機械設計制造行業的應用展開討論，主要分析了基于3D打印技術的軸套類零件、盤蓋類零件、箱體類零件、叉架類零件的創新自由設計。

1 3D打印技術的概念和原理

1.1 3D打印技術的概念

3D打印是增材制造概念的延伸。所謂增材制造（Additive Manufacturing，AM），是相對于車、銑、刨、磨等減材制造，以及鑄造、鍛壓等建材制造工藝而提出的逐漸增加材料而構造實體的一類工藝技術的總稱。3D打印是通過三維建模并切片后，利用3D打印機逐層制造出產品的加工制造方法，也叫快速原型技術（Rapid Prototyping，RP）。

1.2 3D打印技術原理

首先由設計者在計算機上設計并繪制出所制零件的三維模型圖紙，然后用切片軟件按一定的厚度在其制造方向上進行切片處理，得到各層截面的二維輪廓數據，并以這些數據為基礎，設備通過成型頭選擇性地固化一層層液態樹脂或者掃描并噴涂一層層粘結劑、熱熔材料，也可以通過燒結一層層粉末材料的方式，形成各層截面輪廓，然后將這些輪廓逐層疊加成三維制件。

2基于3D打印技術的機械零件創新自由設計方法

2.1軸套類零件

軸套類零件主體結構為同軸旋轉體，包括絲杠、軸、套筒等，軸向尺寸遠大于徑向尺寸。這類零件的功能是傳遞扭矩、支撐轉動件。軸套類零件傳統設計的結構大部分是由不同直徑同中心線的數段金屬構成階梯狀，軸上根據要實現的不同功能設計出不同的工藝結構，如螺紋、鍵槽、倒角等等。如軸的設計是根據傳遞的力、扭矩，確定軸直徑，根據零件的定位和裝配需求，設計軸肩、退刀槽、砂輪越程槽、鍵槽等。

在應用3D打印技術創新自由設計軸套類零件時，需要進行功能分析，并以功能分析結果為基礎，進行結構設計，設計過程中應盡量減少不必要的功能結構，強化必要的功能結構，例如簡化軸肩、鍵槽、鍵等裝配結構，同時輕量化設計軸內部結構，改變內部實心結構為夾層結構、格柵結構，在滿足軸必要剛度、強度性能的前提下減輕自重；軸的必要功能是支撐和旋轉，直接根據力與扭矩確定軸的直徑，將軸與其支撐和帶動的零件設計為一個整體，增強帶動性。

2.2盤蓋類零件

盤蓋類零件是與箱體零件相連接的用來與孔系結構相配合的零件，基本形狀多為圓型或方形的扁平盤狀結構，軸向尺寸比其徑向尺寸小很多，類型包括端蓋、法蘭盤、透蓋和各種輪子等。盤蓋類零件傳統設計根據所需尺寸和連接方法設置有螺孔、銷孔、凸臺、凹坑等結構。

3D打印自由設計適用于盤蓋類零件，盤蓋類零件功能包括傳遞扭矩、軸向定位、支撐、防塵、密封等，要優化其內部結構和外部結構，提升其功能性和美化性，提升輔助功能，強化主要功能，減少不必要的功能。例如要對端蓋實體進行輕量化結構設計，同時去除軸承除拔模斜度的不必要特征，另外，要進一步研究其免裝配設計，簡化其裝配工序。

2.3箱體類零件

箱體類零件主要包括發動機缸體、減速器箱體、泵體、閥體等，通常情況下，箱體類零件的內、外形都較為復雜，一般由不規則的薄壁空腔結構和其外型上的各個孔系組成，箱體類零件的主要功能有容納、支撐、定位和密封。箱體類零件的傳統設計方法是根據各個零部件的裝配結構設計其外形結構和尺寸，根據箱體結構設計其加工工藝路線。

箱體結構在自由設計下必要功能得以更好的完善，不必要功能減少，輔助功能提升。自由設計箱體零件時，首先要對零件進行功能分析，設計箱體結構時在滿足必要功能的前提下力求結構最簡、性能最優。如：箱體本身也可以變實心結構為夾層結構，減輕自身重量；減速器箱體主要功能有定位、支撐、容納和密封，將某些焊接結構變為一體設計；另外，可以對3D打印下的箱體進行造型設計，提升產品的美觀性，同時提升產品的輔助功能。

2.4叉架類零件

叉架類零件多為不對稱結構，形狀多種多樣，常見的叉架類零件有拔叉、連桿、支架、杠桿、搖臂等等，其功能主要是在變速機構、操縱機構以及支撐結構中撥動、連接和支撐傳動零件。傳統設計叉架類零件的結構特征有凸臺、凹坑、鑄鍛造圓角、拔模斜度等，有好多特征是為加工的必要性而設置，比如拔模斜度、裝夾平面等。

功能分析叉架類零件有撥動、連接和支撐的功能，自由設計叉架類零件可以根據實際強度剛度要求設計零件的結構，無需鑄造。簡化拔模斜度、裝夾平面等不必要特征，在人機分析的基礎上設計強化功能的特征。

3結語

3D打印技術應與企業創新結合，實現共同發展。基于3D打印技術的機械零件創新自由設計能夠提升設計價值，文章分析的四大類基于3D打印加工制造的機械零件創新設計方法，能夠為這四大類機械零件的創新設計提供支持，同時希望能夠為相關人員提供思路。

基金項目：課題名稱：基于3D打印技術的機械制造專業實訓項目開發，課題號：18XJG08。

參考文獻

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