機械領域專業(yè)中3D打印技術的應用探究與實驗改革

熊志宏　田佳鑫　朱燦陽　薛佳　沙超　曹向榮

摘? 要：該文以大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗計劃項目為依托，對3D打印技術在機械制造領域的應用進行嘗試和探索實驗。選取在機械制造領域中常用的一些機加工零部件，進行3D打印制作，并在第五屆湖南省大學生工程訓練綜合能力競賽無碳小車項目中實際運用。通過探索和驗證3D打印技術在機械制造領域中的應用前景及局限性，以推動其在機械制造領域中的應用，使之進一步與社會生產(chǎn)實際相結合，充分發(fā)揮其作用。

關鍵詞：3D打印技術? 機械制造領域? 探索

中圖分類號：TH16 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）07（b）-0058-02

1? 3D打印在機械制造專業(yè)方面的應用與概述

自1983年第一臺3D打印設備在美國問世以來，3D打印技術隨著計算機技術興起與材料技術的的日益完善得到飛速發(fā)展，在各個領域都顯示了其巨大的發(fā)展?jié)撃躘1]。3D打印技術即“增材制造”，其實質就是將實體3維模型在3維仿真軟件中通過縱向展開成2維的模型，然后再通過將有限個二維空間疊加，從而將原材料層層疊加，其工作臺的升降受計算機軟件自動控制，完成3D實體模型的建立，將零部件從無到有的制造出來。3D打印技術相比于傳統(tǒng)制造工藝，具有很大的優(yōu)勢。傳統(tǒng)制造工藝產(chǎn)品制作周期長，產(chǎn)品質量得不到有效的保證，對于復雜零部件，往往需要很多生產(chǎn)設備同時投入使用，使生產(chǎn)成本增加。運用3D打印技術，可以很大程度上降低企業(yè)加工成本，縮短產(chǎn)品加工周期，提高產(chǎn)品質量、零部件的精度等[2]。

在我國，3D打印技術處于起步階段，它在機械制造方面所發(fā)揮的作用和帶來的效益不是很明顯。為了推動機械制造行業(yè)持續(xù)發(fā)展，借助于3D打印技術的優(yōu)勢，在機械制造領域中應用3D打印技術，對促進機械制造行業(yè)更好地發(fā)展有著不容忽視的作用[3]。

由于我國應用3D技術的時間比較短，不可避免地還存在一些問題，只有通過不斷地進行應用嘗試和探索實驗，將3D打印技術的應用和實際情況結合在一起，逐步探索解決應用中的實際問題，才能充分發(fā)揮3D打印技術的作用，推動機械制造行業(yè)穩(wěn)定的發(fā)展。

與此同時，3D打印技術在教育領域中的應用也能夠為教學、學習和研究領域帶來創(chuàng)新[4]。大學生創(chuàng)新是一個民族的靈魂，是社會發(fā)展的不竭動力，而制造業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎，是國家競爭力的重要體現(xiàn)，現(xiàn)代制造技術水平的高低已成為一個國家經(jīng)濟發(fā)展的主要標志。

該文以大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗計劃項目為依托，對3D打印技術在機械制造領域的應用進行嘗試和探索實驗。該項目擬選取在機械制造領域中常用的一些機加工零部件，進行分析測量、三維建模并3D打印制作，并應用到實際的學科競賽當中，以此來探索和驗證3D打印技術在機械制造領域中的應用前景及局限性，推動其在機械制造領域中的應用，使之進一步與社會生產(chǎn)實際相結合，充分發(fā)揮其作用。

2? 3D打印在機械類專業(yè)教學及學科競賽中的實際應用

項目組在第五屆湖南省大學生工程訓練綜合能力競賽無碳小車項目中便運用到了3D打印技術。為了減輕小車的重量、解決部分復雜零件難于加工等問題，我們對轉向和傳動部分的一些零件使用了3D打印，主要包括打印小車前動軸、連桿、轉向架、前后輪、撥盤、從動軸架以及直線軸承架。這減輕了小車的重量，降低了加工難度，減少了制造成本。此次比賽，我們一共獲得了3項湖南省大學生工程訓練綜合能力競賽三等獎。

3D打印為我們在小車制造方面提供了很好的幫助，以往小車零部件都是經(jīng)過網(wǎng)上采購，且都是統(tǒng)一標準的零部件，可能會與我們自己的設計有所沖突，而且市場上的某些零部件在傳動精度上也達不到比賽要求。這就可能導致我們在市場上購買來的小車零部件會不符我們的要求，進而退貨再另購，這樣會極大延長我們的制作周期，縮短我們在小車性能方面改進的時間。有了3D打印技術，我們只需依靠Pro/E、SolidWorks等主流三維仿真軟件，將小車零部件的3D模型在三維仿真軟件中建立出來，然后再將模型文件輸入打印機系統(tǒng)，結合計算機輔助技術就可以進行3D打印。3D模型是自己根據(jù)自己的設計來建立的，在后期小車性能改進時，只需根據(jù)自身的實際情況，對小車零部件的3D模型進行修改便可以了。相比于在市場上購買，在后期測試過程中，能節(jié)約很多的物流時間，從而為我們爭取設計更優(yōu)化的無碳小車提供了先決條件。對于3D打印機的使用，結合了三維仿真軟件，提高了我們的專業(yè)認知能力，讓我們對機械制造專業(yè)的理解并不僅僅局限于傳統(tǒng)制造方式，而且還在一定程度上拓寬了我們的視野，明白了今后制造專業(yè)的主流方向。

3? 3D打印在機械制造領域中其他方面的應用

過去一個產(chǎn)品的設計與研發(fā)，特別是對于一些較為復雜的零部件而言，往往需要用到很多的專用生產(chǎn)設備，如專用機床、專用夾具等。而且生產(chǎn)出來的產(chǎn)品還不一定能夠滿足市場的需求，這個過程得經(jīng)過市場的檢驗，而檢驗一般需要花費很長時間。通過市場反饋對產(chǎn)品進行多次修改，最終才能大批量投入生產(chǎn)。這就意味著產(chǎn)品的生產(chǎn)周期會很長，不利于企業(yè)的競爭。3D打印技術在一定程度上還能增強零部件的穩(wěn)定性，極大地優(yōu)化產(chǎn)品加工過程，不依賴于傳統(tǒng)機床設備，解放了生產(chǎn)條件，為企業(yè)節(jié)省下了更多的利潤，讓其在市場研發(fā)方面有更多的投入。3D打印還為制造業(yè)的升級提供了更為廣闊的發(fā)展空間，在一些具有高度復雜結構零部件的生產(chǎn)上，傳統(tǒng)制造工藝方法已經(jīng)很難適應，這就迫使企業(yè)升級，以全面適應當今制造業(yè)的新環(huán)境。3D打印因其制造出來的產(chǎn)品精度高、能打印出復雜程度高且傳統(tǒng)制造工藝很難制造出來的零件、產(chǎn)品生產(chǎn)周期短等優(yōu)點，廣泛適用于高精密產(chǎn)業(yè)。例如在汽車制造領域，在現(xiàn)代化汽車發(fā)展進程中，汽車產(chǎn)業(yè)不斷升級，導致其部分零部件的復雜程度越來越高。用傳統(tǒng)制造工藝手段已經(jīng)很難適應新時代制造的要求，這時3D打印便發(fā)揮了其巨大優(yōu)勢。3D打印技術還在其他方面顯示了其巨大的發(fā)展優(yōu)勢，例如航天航空領域、醫(yī)療健康領域等，未來3D技術可能在我們的生活中也會有很廣泛的應用。

4? 結語

對于3D打印技術在機械類專業(yè)及制造領域的應用前景和局限性，還需更多的探索、實驗和改革，以推動其實踐和應用，使之進一步與機械類專業(yè)的教學和社會生產(chǎn)實際相結合，充分發(fā)揮其作用。

參考文獻

[1] 魏云虎.探討3D打印技術在機械制造領域中的應用[J].時代農(nóng)機，2017，44（2）：23，27.

[2] 扈恩同.3D打印技術在機械制造中的應用研究[J].世界有色金屬，2018（1）：42-43.

[3] 薛宇航.3D打印對機械制造及自動化的影響[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2018，8（18）：55-56.

[4] 周達，黃彬彬.3D打印技術在高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中的應用[J].科技創(chuàng)新導報，2017，14（35）：243，245.