基于3D打印技術的機械零件設計研究

肖文哲

摘 要：在科技的推動下，3D技術成為了人們生活中的常見技術。近些年3D技術憑借著出眾的性能，成功的進入到了服裝、醫療、工業、航空航天領域。自國家推出相關政策后，3D智能技術重要性得到了進一步的彰顯。現本文將以3D技術零件創新設計為依據，分析其前景，希望能夠幫助有關人員了解這項技術，提高3D技術在機械零件設計中的有效性與價值。

關鍵詞：3D打印技術；機械零件；設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.032

0 前言

多年的發展讓3D技術成功的融入到了各行各業，其對傳統制造業的影響非常突出。傳統工業設計、加工非常麻煩，需要消耗大量的時間，如復雜內腔、空間曲面等等。傳統加工涉及到眾多的操作步驟，有著十分漫長的加工時間，故已經不再適用于現如今的生產工藝。對3D打印來說，其與傳統技術最大的區別便是復雜結構零件設計與生產優勢非常突出。除此以外3D打印技術在免裝配制造中起到的作用也非常明顯，故得到了航天、軍工、汽車等領域的高度關注。漸漸成為了取代傳統技術的一種新型技術。

1 3D打印見解

1.1 定義與原理

3D打印技術也就是通過構建三維模型的方式，建模模型與切片處理，展開對生產產品的加工，用3D打印機創造生產產品。該技術又稱快速原型技術[1]。

3D打印技術原理為設計人員根據三維模型圖與切片軟件設計，在此過程中結合制造方向進行處理。利用此時得到的數據信息，噴涂粘結劑最后制成三維制件[2]。

1.2 基本分類與優勢

因為加工材料本身有一定差異，且材料的形狀、質地完全不同。此外熱源也有著多樣的類別，3D打印技術有著眾多種類。目前比較常見的技術包括電子束熔化、三維噴涂粘結成型、激光選區熔化、光固化成型、激光近成型。

3D設計的優勢在于材料有著很高的利用效率、模具與道具使用次數很少、有著極高的加工效率、設計自由方便、成型周期短、設計復雜度得到了有效控制。從如上的特點可以看出3D打印的優勢非常突出，該技術效益高、成本低，且裝配流程比較簡化[3]。種種優勢對于社會發展、經濟效益的積累來說意義重大。

2 機械零件設計注意事項

機械設計有著多種多樣的要求，為了滿足機械設計的要求，就必須重視零部件的科學化設計。該工作是設計工作的基礎與重要環節，必須在進度安排、材料選用、參數設定中予以落實，保障機械設計有效性、合理性。此外還要充分發揮機械零件應用優勢。機械零件設計必須滿足污染低、安全性高、用時長、穩定性好、維修方便、成本低的要求。所有設計都要互相影響、互相關聯，掌握機械設計要求，確保設計能夠有序進行。

3 3D打印機械零件設計方法

目前3D打印比較常用的控制算法為PID控制算法，PID是工業控制器中最常見的一種，使用ABS打印絲材。控制公式如下：

3.1 曲軸零件

軸套類零件主體結構為軸旋轉體，其軸向尺寸超出徑向尺寸。當然這種零件還有著扭矩傳遞作用。此類零件加工方法為切削加工，尺寸、形狀加工有著明確的規定與眾多的要求。所以這類零件大多為大批量生產。當然3D打印技術并不適用于批量生產，而是主要用于有高生產精度要求的個別零件。

軸類結構大多應用于發動機。軸類結構加工過程非常復雜，需要處理眾多的難點項目，不僅會浪費大量時間，同時也有著很高的處理成本。3D技術加工與制造軸類結構能夠有效提升軸類結構構件強度、成型準確度與剛度。在3D技術的支持下，曲軸功能的優勢主要體現在：首先曲軸退刀槽、止推面結構得到了充分的優化。其次平衡塊在3D設計的過程中，結構穩定性得到了充分保障，平衡效果更易于達成設計要求。最后3D打印能夠完成油孔道結構的優化，實現接口順利過渡，進而減少了油液外泄問題的發生幾率。總結來說就是3D打印技術在曲軸設計中的應用，能夠賦予曲軸設計潤滑功能、連接功能、支撐功能。

對打印過程的分析可以得出，軸類結構生產實際上對于材料的要求是很高的，金屬材料的性能將會直接影響打印質量。所以在打印中必須選擇FDM型打印機，該類型打印機能夠充分保障打印質量，提高結構加工型。在打印過程中先轉換數據，也就是調整曲軸模型，重命名曲軸名稱，隨后用軟件測試其完整性，該過程能夠為模型的打印提供各種參數依據。隨后切片處理模型，導入模型，并設置好切片的參數與成型的方向，將數據轉化存儲到打印機當中。在實踐中得出，橫向成型相較于豎向成型，時間能夠節省多達10分鐘時間，但豎向成型卻比橫向成型節省0.6米材料。之后準備打印材料，根據設計的方向、情況進行打印。在此過程中需要做好打印精度的控制，優化打印的效果。結束打印后檢驗成品、展示成品，觀察曲軸的結構與預期要求是否相同，保障3D打印合理性。

3.2 箱體類零件

箱體零件具體包括減速器箱體、泵體箱體、閥體箱體。當然箱體零件不管是外在形態還是內在結構都十分的復雜。普通人在日常生活中實際上很難碰到這類零件，該類零件大多用于密封與容納。

傳統加工中這類零件的制造對鑄造模式的要求比較突出。大批量生產過程中通常會選用金屬機器。不過因為金屬機器本身的精度會出現一定問題，進而導致質量無法滿足要求，所以在生產過程中如果出現一絲細微的誤差，一整批零件最終都會受到影響。3D打印技術制作的箱體零件不僅準確度高，同時也不會影響其他加工，實現了失敗率的有效控制、生產時間的有效控制，預防了裝夾問題的發生，減少了設備、人力、材料方面的損耗。

3.3 盤蓋類零件

這類零件大多用作箱體零件銜接，通常情況下，這類零件都是方形或是圓形的扁平狀結構。盤蓋類零件的功能包括堅固、軸向定位。設計過程中需要用3D打印技術優化內部結構，提高盤改類零件美觀性與實用性。

3.4 叉架類零件

我們在平時的生活中經常能夠看到很多的叉架類零件，這類零件為不對稱樣式。這類零件除了同種零件外，其他形狀各不相同。比如搖臂、連桿、撥叉等。使用叉架類零件的目的是獲得更好的轉動效果與連接效果。

叉架類零件孔精度要求較高，會受到加工材料影響。加工過程中叉架類零件很容易發生變形問題，加工中需要使用各種各樣的夾具，浪費眾多時間。3D打印技術能夠改變這一問題，3D打印技術無需夾具，可以直接生產。且3D打印不用擔心裝夾帶來的誤差，導致零件作用無法得到最大化體現。

3.5 液壓閥塊

所謂的液壓閥塊又稱液壓元件，這種裝置的作用為控制管路壓力油流動，能夠讓機械動作更加流暢。液壓元件包括大量的液壓油氣孔道，對油液流動壓力、流量、方向而言都有控制作用。正因其有著如此多的作用，所以設計難度非常突出。使用傳統方式處理與制造時，流程非常復雜，難度比較巨大。加工中很多環節都有著較大的阻力與風險。只有做好了每一個環節的復雜度控制，才能夠最大化液壓閥塊優勢。使用3D打印技術處理與加工液壓閥塊生產，可以靈活解決各種生產問題。在彌補傳統生產弊端的同時，完成了孔道有效改進。此外3D打印技術生產液壓閥塊還能夠有效控制生產成本，提高加工性能。將這些技術總結到一起也就是能夠完成形位公差控制，不用夾具就能夠解決裝夾需求。通過增加一定量的金屬粉末便可以控制閥體重量與流體流向。在3D技術的支持下，自由完成液壓閥塊的設計，提高了液壓閥塊性能。

對打印過程的分析可以得出，因液壓閥塊為金屬制造，使用3D打印技術打印能夠驗證加工可行性。第一步轉換數據，數據將作為最終3D模型的打印基礎因素，以三角網格為代表。在此過程中檢查模型的完整性，在模型為完整狀態時，進行切片操作。切片操作就是設置好切片的參數與成型的方向，將數據導入、轉化并存儲到打印機當中。之后開始打印，將SD卡插入3D打印機，觀測運行平穩性與打印時間，結束打印后，去除無用支撐，結束后展示成品，觀察結構，承重與校對精度，分析其使用效果。

3.6 轉運站頭罩

這種裝置是系統設備，負責運載物料。轉運站頭罩的結構包括三通分料器、導料槽、轉運頭罩與轉運落料管。設計過程中需要同時考慮帶速、輸送高度，這些數據是結構設計的依據。使用傳統方法制造會出現鋼板變形、焊接變形、曲面加工難的問題。種種要素限制了轉運頭罩功能的發揮與體現。3D打印技術生產設計頭罩的時候，可以有效改善上述要素，減少無用的結構包括法蘭結構，提高了成型速度，不會受到材料因素的限制。

對轉運站頭罩打印的分析可以得出，3D打印技術優化了空間曲面，且降低了結構復雜度。使用這一技術設計大型零件的過程中，需要準備好相對應的技術，確保該技術能夠在生產設計過程中一體化成型，提高加工制造速度，降低產品制造難度。

4 結語

3D打印技術的優勢非常突出，機械零件完全可以借助3D打印技術強大的功能進行設計。3D打印技術的特性不僅符合與體現了創新要求，同時還能夠拓展打印技術使用范圍。此外零件性能也可以在3D打印的途中得以優化，成型零件能夠更好的滿足使用需求。結合3D打印在眾多機械零件中的實踐設計結果可以看出，未來3D打印技術將擁有良好的發展前景。

參考文獻：

[1]張德龍.基于3D打印技術下機械零件創新自由設計的思考[J].現代制造技術與裝備，2018（06）：80-82.

[2]劉丹，許賀，李芳琳.3D打印在汽車行業上的應用[J].科技創新與應用，2018（12）：164-165.

[3]白龍.淺談3D打印SLM技術在機械自動化加工中的應用[J].科技經濟導刊，2018，26（07）：41.