激光增材制造技術在農機設備零件中的應用*

羅方焰，焦天文，陳豐林，黃 江

（1.廣東海洋大學電子與信息工程學院，廣東 湛江 524088；2.廣東省智慧海洋傳感網及其裝備工程技術研究中心，廣東 湛江 524088）

0 引言

增材制造（AM）技術（也稱為3D 打印技術）起源于20 世紀80 年代，是一種基于離散-堆積原理，由三維CAD 數據驅動，直接制造實體零部件的高端數字化制造技術[1]。激光增材制造技術（LAM）是以金屬粉末為原材料、以激光為能量源的一種增材制造方式，其特點是直接、快速、綠色環保、高柔性、數字化、智能化。按照材料添加的方式不同，可以將金屬零部件激光增材制造技術分為兩類，一種是以同步送粉為技術特征的激光熔覆沉積LCD 技術，其優點是可以制造大尺寸零件，設備簡單；缺點是成形精度低，主要用于零件的修復。另外一種是基于粉末床鋪粉的激光選區熔化成形SLM 技術，其優點是成形精度高，構件力學性能好；缺點是成形效率低，單光束激光成形尺寸偏小，適用于精度要求高的復雜零部件的生產。

相比傳統減材制造（如機械加工、化學銑削等材料去除加工）和等材制造（如鑄造、沖壓等模具控形加工），LAM 技術具有快速制造復雜結構產品、高效利用原材料、可高度優化產品結構和適應個性小批量生產等優點[2-3]，非常符合農機設備零件制造整體化、復雜化、輕量化、結構功能一體化的制造需求，為傳統農機設備零件制造的轉型升級提供了巨大幫助。

1 我國農機設備零件制造現狀

隨著我國農機零件制造技術的快速發展，農業機械行業的整體技術水平和現代化程度得到了顯著提升，農機設備的功能、可靠性等也都得到了明顯提升。但我國的農機設備還存在可靠性、耐用性低，維修率高，關鍵零部件精度不足等缺點。在關鍵零部件質量提高、個性化生產和零件替換等關鍵技術方面，與國外還存在較大差距。

數控制造技術是目前我國農機設備零件主要的現代化制造技術。數控技術通過將二維圖紙、三維模型導入數控機床，就能自動生成加工程序，經過工人簡單的檢查與修正，即可快速實現復雜零件的批量化自動制造[4]，具有生產效率高、精度高等優點，并且還省去了人工對零件拆裝、測量、再加工的過程，使得農機設備零件的制造效率和水平有了質的飛躍。

使用傳統的數控制造技術生產特定的零部件時，生產耗時長、效率低下、成本昂貴。對于新研發的設備零件或新型材料的生產而言，試錯成本較高，這在一定程度上制約了農機設備的推廣與應用。采用激光增材技術即可解決上述問題，使用激光增材技術可以實現快速生產零部件，減少生產成本，大型農業設備利用多臺增材設備制造一套關鍵零部件通常只需3～4 天的時間[4]。若新零件或新材料在試驗過程中發現不合理之處或是出現錯誤，能夠及時進行修改，降低試錯成本，提升研發速度。并且，采用激光增材技術可以提高零部件的硬度和耐腐蝕性，延長使用壽命。對于損壞的零部件，可用激光熔覆技術進行修復并增強性能；對于可更換的已損壞零部件，可以使用激光增材技術專門制造，能夠滿足不同機械對于同種零件的不同尺寸或不同加工精度的需求。

隨著技術的不斷成熟，激光增材制造技術目前也開始應用于農機的零件制造，激光增材制造技術在零件制造領域包括直接零件制造和間接零件制造兩個方面。直接零件制造多采用SLM 技術制造形狀復雜、曲面較多的零件，如水輪機的葉輪、旋耕刀、開溝機的開溝裝置、送料螺旋等；間接零件制造技術則首先通過SLA、SLS 等激光增材制造技術制造產品的模型，其次以3D 打印的零件模型為基礎鑄造模具，最后對鑄造的零件進行簡單的機加工獲得最終的零件。對于農機的核心部件如農用水泵的葉輪等，可采用SLA 光固化技術，其能在更少的時間內生產出結構復雜的母模，再通過快速熔模鑄造技術等，可小批量生產葉片、葉輪、渦輪等復雜零件[5]。

2 激光增材制造技術應用于農機設備零件制造的可能性

農機設備的需求量不斷增長，對農機設備的研發、生產、售后、維修等工作提出了更高的要求。面對市場的激烈競爭，農機生產企業在對農機設備零件進行制造的過程中，既要兼顧高質量和精細化的要求，也需要不斷提高設備的制造性能。因此，本文將從以下兩個方面討論激光增材制造技術應用于農機設備零件制造的可能性。

2.1 精細化程度和力學性能

陳光霞等[6]對DLF 與SLM 兩種激光增材快速成型技術進行分析和比較，得出SLM 與DLF 兩種技術都可提高零部件的生產精度的結論。其中，SLM 的成型精度要優于DLF 技術；力學性能方面，兩者都具有較高的性能，均優于普通不銹鋼。李超[7]通過激光增材制造成形316L 不銹鋼，發現通過激光增材制造技術制造的316L 不銹鋼，可以獲得比傳統冶金方法制備的316L 不銹鋼更加優異的強度和塑性。因此，激光增材技術十分適用于農機設備零部件的生產與修復，特別是對于大型農業機械設備零件的生產，例如發動機與轉軸等具有超高精度要求的關鍵零部件。對于刀片、鉆頭等易損耗、需要經常維修的零件可采用DLF 技術與激光熔覆技術對其進行修復并提高性能。

2.2 農機零件制造所需的復合材料

激光擁有能量密度高的特點，因此相較于其他的增材制造技術，激光也從根本上決定了增材制造過程中金屬材料能否熔化的本質問題[8]。激光增材制造技術的明顯優勢是可對高熔點、難加工的大型金屬進行零件的加工制造，并且不受零件結構、形狀的限制，可以滿足農業生產領域對于多性能材料的需求，實現整體成型和多材料成型。

金屬激光增材制造（LAM）可以制造出結構復雜、晶粒細小的高性能金屬構件[9]，其采用激光、電子束和電弧等離子弧為熱源，具有適用材料范圍廣、能量密度高、成型精度高等優點，很好地滿足了農機設備關鍵零部件所需要求。宋波等[9]在《金屬激光增材制造材料設計研究進展》一文中，清晰列舉了鋁合金、鈦合金、鐵基合金、鎂合金等在經過LAM 技術制造后的情況，發現其性能都得到了普遍提升。鄧澄等[10]運用激光增材制造純鎢制件，實現了合金硬度的提高，并通過優化掃描速率和激光功率等加工參數，降低了成形過程中的熱累積效應，減少了溫度梯度和熱應力等因素的負面影響，實現了高性能鎢銅復合材料微型結構件的制備。馮曉甜等[11]通過送粉式激光增材技術制造TC4 鈦，觀察到熔覆層硬度提高，并擁有較好的抗電化學腐蝕和耐點蝕能力。

3 激光增材技術在我國農機零件制造中的應用前景

農機零件制造相較于高端設備零件制造總處于落后階段，為促進我國農機設備零件制造的發展，有必要加強激光增材制造技術在農機設備零件制造上的應用。通過借鑒高端制造領域先進激光增材制造技術的研究成果，為農機設備零件制造提供研究方向，可以從以下幾個方面進行研究。

3.1 設計適用于農機設備的激光增材制造生產設備

陳光霞等[12]在《SLM 激光快速成型設備的設計與開發》一文中自主研發了一套SLM 快速成型設備。實踐證明，該設備不僅成本較低，而且能制造形狀復雜、精度較高的金屬零件，因此具有較高的使用推廣價值。基于此，未來可以貼合農業生產特點和性能需求，研發適用于農業生產的激光增材制造生產設備。

3.2 完善基礎工作和層級設計

目前的激光增材制造技術的設計理念不完善，還缺乏理論指導，應用于農機設備零件制造的理論指導更是少之又少。宋波等[9]曾指出如今LAM 技術的設計理論不完善、材料體系不健全等問題。特別是對于農機設備零件在特殊環境服務時的需求，例如低溫、高溫、耐腐蝕、抗疲勞等的可控設計，還存在很大的發展空間。因此，應做好激光增材制造技術在農機設備零件制造中的基礎工作，不斷完善其技術體系和理論基礎，吸取高端制造行業積累的理論成果和制造工藝經驗，打造適用于農機設備零件制造的理論與生產體系，從而提升農機設備零件生產的各項性能與生產效率。

目前，激光增材制造技術設計方法大多是提升材料的加工性能，并沒有從材料的多層級、多因素方面進行考慮，因此未來應從材料的適用環境與所需功能入手進行設計，應完善設計層級，實現多層級、多因素的可控設計。例如，對于農機設備零件制造，應在滿足性能的同時提高硬度、耐腐蝕性、抗疲勞性、耐高溫或耐低溫性等。

3.3 提高抗疲勞性

如今對激光增材制造技術制造的零部件的研究，大多集中在室溫下的拉伸性能、硬度、耐腐蝕性等方面，而對于耐高/低溫性能和抗疲勞性能的系統研究相對較少。雖然農機設備零件的關鍵性能是硬度、拉伸性能、耐腐蝕性，但是大部分農機設備零件需長時間進行高強度的工作，這要求農機設備關鍵零部件擁有良好的抗疲勞性能。

廖宇等[13]對激光增材制造技術制造的金屬材料進行了疲勞壽命研究，設計了多組帶典型結構細節的模擬試驗件，試驗后發現，鋁合金相較于鈦合金存在較大缺陷，鈦合金粉末試驗件的疲勞分散性較鍛件更大，壽命差異最大可達2個量級。

如今通過激光增材制造技術制造的農機設備零件，還不能很好地滿足高抗疲勞性的要求，且產品的抗疲勞性能不穩定。因此，在未來如何通過激光增材制造技術制造力學性能良好且抗疲勞性高的農機設備零件，是一個非常重要的研究方向。

3.4 個性化設計

在農業生產領域，生產者對工具的使用因傳統習慣、地理環境因素、自身條件的不同而存在差異。盡管我國有許多不同的農機設備生產制造商制造不同規格的農機設備，但是各制造廠商主要還是按照自身設計規格進行大規模的生產制造，農業生產者只能在固定范圍內選擇設備。另外，我國大部分農機設備都有固定功能，例如收割機、播種機、除草機等，農業生產購買農機設備的成本也比較昂貴，這些問題都阻礙了我國農機設備的發展、推廣和普及。

隨著激光增材制造技術的發展，制造商可以通過農業生產者提供的CAD 制圖、簡易圖片或口頭描述，按照農業生產者的特殊要求進行定制，以滿足農業生產者的自身習慣以及對于特殊工作環境的要求。這不僅能滿足農業生產者的個性化定制需求，提升生產效率，也能降低企業的生產風險。

4 結束語

隨著激光技術與制造技術的快速發展，激光增材制造技術成為推動傳統產業轉型升級和戰略性新興產業高速發展的新引擎[14]，但由于激光增材制造技術的制造過程不夠精細、設備不夠完善，以及農機設備自身的特點和工作環境的特殊性，激光增材制造技術在農業領域的推廣應用還比較困難，在農機設備領域的應用與研究還處在滯后階段。激光增材制造技術在高端制造領域的廣泛應用已經積累了大量的實驗數據與基礎理論，特別是在汽車制造領域的實驗成果，這對于其在農機設備零件生產中的應用具有十分重要的參考意義與價值。并且激光增材制造技術生產的零件具有精度高、力學性能良好、抗腐蝕性強、質量輕等特點，不僅能夠對損壞的零件進行修復，還能夠很好地解決我國農業機械化設備應用中普遍出現的問題?？傮w來說，激光增材制造技術在農業領域的應用仍然具有巨大的發展潛力。