基于3D打印技術的機械零件設計研究

張鈺柱 莫茜

摘 要：3D打印技術是近年來飛速發展的一種增材制造技術，其以高效一體化成型、可制造復雜結構的突出優勢，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至關重要的作用，并在智能高端裝備制造中的地位愈加彰顯。

關鍵詞：3D打印技術;機械零件;增材設計;曲軸

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A

3D打印技術具有高效、一體化成型、可生產復雜構件等優勢。隨著3D打印技術的日益成熟，該技術在各領域應用日益廣泛，并取得了良好的應用效果。在工業制造領域，3D打印技術科實現復雜構件生產加工的輕量化、集成化、標準化，從而滿足機械零件性能生產加工目標。文章基于3D打印在機械設計制造行業的應用展開討論，主要分析基于3D打印技術下的軸套類零件、盤蓋類零件、箱體類零件、叉架類零件的設計，并結合曲軸這一典型機械零部件為例進行分析。

1 3D打印技術的概念和原理

3D打印技術是增材制造概念的延伸。3D打印技術應用設計，數據處理及打印等幾個環節。高度自由化是3D打印技術的重要特征，是基于功能目標而進行逆向設計，以功能、外觀目標為導向，以3D打印技術為基礎，在不考慮加工工藝、加工設備性能的前提下進行設計和加工，因此，在工業制造領域，3D打印技術具有良好的應用和實踐優勢。具體而言，基于3D打印技術的零件設計具有以下特點：

1.1 自由設計制造

基于3D打印技術的機械零件設計，以零件功能為導向進行設計，不需要考慮加工工藝、加工刀具、加工機械性能對零件加工的影響，實現零件設計的“所想即所得”。

1.2 縮短成型周期

基于3D打印技術的零件設計，不需要對復雜零件進行鉚接或焊接加工，可通過熱熔材料或黏結劑特性實現零件一次成型，在設計期間不需要考慮加工試生產的問題，在零件設計完成后即可進行成型，針對成型后的問題進行調整和優化，因此，基于3D打印技術的零件設計與成型是連續的，零件成型周期縮短，極大縮短了工業零件設計與加工周期。

1.3 可實現復雜結構的零件設計

3D打印技術最大的特點是設計高度自由化，尤其是在復雜零件設計中，3D打印技術通過三維模型進行設計，并通過結構切片逐層疊加實現三維模型直接成型。而相對于3D打印技術應用優勢而言，傳統零件設計中，隨著零件設計復雜程度的提高，傳統減材和等材加工難度提高，進而制約了傳統機械零件設計復雜程度。

1.4 材料復雜性

傳統的零件設計中，減材、等材加工一般采用單一材料，而針對復雜結構的零件設計，一般通過裝配方式加以實現。而在3D打印技術中，借助3D打印技術特性，可通過不同材料的變換實現多種材料的融合應用，大大提高了機械零件應用的靈活性、復雜性。

1.5 簡化零件裝配

在傳統的機械零件設計、加工中，一般采用鉚接、焊接、栓接等方式實現零件裝配，而基于3D打印技術可以實現復雜結構的一體化成型，大大降低了零件裝配、連接的工作量，簡化了零件流程，提高了機械加工制造能力。

2 基于3D打印技術的機械零件設計研究

基于3D打印技術的零件設計可實現零件設計、加工流程的簡化，實現多個零件的集成化設計和一次成型。根據機械零件設計形狀、功能等分類，可將機械零件設計分為軸套類零件、叉架類零件、箱體類零件和盤蓋類零件。在3D打印技術應用過程中，3D打印技術設計程序基本相同，首先，根據零件功能目標確定零件設計成型方向，并施加相應的支撐，再將相關數據導入機械零件設計模型。在機械零件成型加工后，通過全面清洗去除零件打印中出現的毛刺。最后，針對成型后的零件進行校驗和優化設計。針對不同零件設計具體分析如下。

2.1 基于3D打印技術的軸套類零件設計

在機械零件設計中，軸套類零件主要為同軸旋轉體結構，如絲杠、套筒、軸等，軸套類類零件一般徑向尺寸小于軸向尺寸。相對于傳統的軸套類零件設計與加工，3D打印技術適用于非批量化的生產，主要面向個性化要求較高或機械零件設計研發過程中的非標零件，在這個過程中，3D打印技術應用優勢得以凸顯。

在軸套類零件設計過程中，3D打印技術以功能需求為基礎，注重重要零件的必要功能，盡可能減少零件設計中的非必要結構。以軸零件為例，其主要功能為傳遞扭矩與支撐，在零件設計時需要重點考慮其扭矩、受力情況，并以此確定軸的規格尺寸，并以此作為軸零件設計的基礎，實現軸零件的一體化設計。針對軸的輕量化設計中，可將軸內部的實心結構設計為格柵結構或者夾層結構，恰當的空心結構不但可以增加軸的強度，而且可大大降低軸的重量。

2.2 基于3D打印技術的叉架類零件設計

在機械零件設計中，叉架類零件一般為非對稱結構，且結構形式呈多樣化、復雜化，如搖臂、連桿、杠桿等，零件功能主要為連接、支撐、操作或傳動等。針對叉架類零件設計與加工，傳統的零件設計、加工工序較為復雜且連續性較差。同時，此類零件一般需要加工高精度的孔，在零件材質剛性不高的情況下，零件加工過程中可能出現零件變形、偏斜等問題。此外，傳統的加工方式需要借助不同的夾具、刀具進行加工，一定程度上提高了叉架類零件的加工工藝復雜程度。而基于3D打印技術的叉架類零件設計，可通過設計、成型一體化，不需要考慮夾具、刀具的問題，大大簡化了叉架類零件設計與加工難度。

2.3 基于3D打印技術的箱體類零件設計

在機械零件設計中，箱體類零件主要是泵體、閥體、缸體等，此類零件一般內部結構或外部形狀較為復雜。基于3D打印技術的零件設計中，在零件設計時不需要考慮何須加工工藝，可通過個性化、高度自由化設計方法實現此類零件的設計與加工，進而提高了箱體類零件的加工精度、功能要求。

2.4 基于3D打印技術的盤蓋類零件設計

盤蓋類零件的結構多為方形或者圓形的扁平盤狀，徑向尺寸要遠大于軸向尺寸。在傳統設計方法中，盤蓋類零件需要設置相應的凹坑、螺孔或者凸臺等結構，主要通過車削或者鑄鍛造毛坯加工成型。

基于3D打印技術下的創新自由設計能夠應用于盤蓋類零件中，其功能主要涉及軸向定位、密封、支撐以及防塵等。在創新自由設計中，先要確定盤蓋類零件的必要功能，盡量減少其不必要功能，比如，軸承端蓋可以將拔模斜度刪減掉，并對盤蓋類零件的免裝配設計進行深入研究，進一步簡化零件的裝配工序。

3 基于3D打印技術下曲軸創新自由設計

通過創新自由設計時實現曲軸的必要功能，簡化不必要功能。如曲軸的退刀槽、止推面等結構是實現傳統加工過程的必要結構，3D打印加工曲軸時，這些輔助結構均可簡化。3D打印技術加工曲軸最大優勢在于簡化加工工序，節約時間成本，降低加工難度。

4 結論

3D打印技術可以有效提升機械零件的功能與價值，在未來應用中有巨大前景。通過本文的分析可知，基于3D打印技術，設計人員在進行機械零件創新自由設計時，需要對機械零件的功能進行分析，在設計中突出零件的必要功能，盡量減少其不必要功能，并對零件進行輕量化設計，提高機械零件加工的經濟性，促進機械制造領域的可持續發展。

參考文獻：

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