基于3D打印技术的机械零件设计研究

    肖文哲

    摘 要：在科技的推动下，3D技术成为了人们生活中的常见技术。近些年3D技术凭借着出众的性能，成功的进入到了服装、医疗、工业、航空航天领域。自国家推出相关政策后，3D智能技术重要性得到了进一步的彰显。现本文将以3D技术零件创新设计为依据，分析其前景，希望能够帮助有关人员了解这项技术，提高3D技术在机械零件设计中的有效性与价值。

    关键词：3D打印技术；机械零件；设计

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

    0 前言

    多年的发展让3D技术成功的融入到了各行各业，其对传统制造业的影响非常突出。传统工业设计、加工非常麻烦，需要消耗大量的时间，如复杂内腔、空间曲面等等。传统加工涉及到众多的操作步骤，有着十分漫长的加工时间，故已经不再适用于现如今的生产工艺。对3D打印来说，其与传统技术最大的区别便是复杂结构零件设计与生产优势非常突出。除此以外3D打印技术在免装配制造中起到的作用也非常明显，故得到了航天、军工、汽车等领域的高度关注。渐渐成为了取代传统技术的一种新型技术。

    1 3D打印见解

    1.1 定义与原理

    3D打印技术也就是通过构建三维模型的方式，建模模型与切片处理，展开对生产产品的加工，用3D打印机创造生产产品。该技术又称快速原型技术[1]。

    3D打印技术原理为设计人员根据三维模型图与切片软件设计，在此过程中结合制造方向进行处理。利用此时得到的数据信息，喷涂粘结剂最后制成三维制件[2]。

    1.2 基本分类与优势

    因为加工材料本身有一定差异，且材料的形状、质地完全不同。此外热源也有着多样的类别，3D打印技术有着众多种类。目前比较常见的技术包括电子束熔化、三维喷涂粘结成型、激光选区熔化、光固化成型、激光近成型。

    3D设计的优势在于材料有着很高的利用效率、模具与道具使用次数很少、有着极高的加工效率、设计自由方便、成型周期短、设计复杂度得到了有效控制。从如上的特点可以看出3D打印的优势非常突出，该技术效益高、成本低，且装配流程比较简化[3]。种种优势对于社会发展、经济效益的积累来说意义重大。

    2 机械零件设计注意事项

    机械设计有着多种多样的要求，为了满足机械设计的要求，就必须重视零部件的科学化设计。该工作是设计工作的基础与重要环节，必须在进度安排、材料选用、参数设定中予以落实，保障机械设计有效性、合理性。此外还要充分发挥机械零件应用优势。机械零件设计必须滿足污染低、安全性高、用时长、稳定性好、维修方便、成本低的要求。所有设计都要互相影响、互相关联，掌握机械设计要求，确保设计能够有序进行。

    3 3D打印机械零件设计方法

    目前3D打印比较常用的控制算法为PID控制算法，PID是工业控制器中最常见的一种，使用ABS打印丝材。控制公式如下：

    3.1 曲轴零件

    轴套类零件主体结构为轴旋转体，其轴向尺寸超出径向尺寸。当然这种零件还有着扭矩传递作用。此类零件加工方法为切削加工，尺寸、形状加工有着明确的规定与众多的要求。所以这类零件大多为大批量生产。当然3D打印技术并不适用于批量生产，而是主要用于有高生产精度要求的个别零件。

    轴类结构大多应用于发动机。轴类结构加工过程非常复杂，需要处理众多的难点项目，不仅会浪费大量时间，同时也有着很高的处理成本。3D技术加工与制造轴类结构能够有效提升轴类结构构件强度、成型准确度与刚度。在3D技术的支持下，曲轴功能的优势主要体现在：首先曲轴退刀槽、止推面结构得到了充分的优化。其次平衡块在3D设计的过程中，结构稳定性得到了充分保障，平衡效果更易于达成设计要求。最后3D打印能够完成油孔道结构的优化，实现接口顺利过渡，进而减少了油液外泄问题的发生几率。总结来说就是3D打印技术在曲轴设计中的应用，能够赋予曲轴设计润滑功能、连接功能、支撑功能。

    对打印过程的分析可以得出，轴类结构生产实际上对于材料的要求是很高的，金属材料的性能将会直接影响打印质量。所以在打印中必须选择FDM型打印机，该类型打印机能够充分保障打印质量，提高结构加工型。在打印过程中先转换数据，也就是调整曲轴模型，重命名曲轴名称，随后用软件测试其完整性，该过程能够为模型的打印提供各种参数依据。随后切片处理模型，导入模型，并设置好切片的参数与成型的方向，将数据转化存储到打印机当中。在实践中得出，横向成型相较于竖向成型，时间能够节省多达10分钟时间，但竖向成型却比横向成型节省0.6米材料。之后准备打印材料，根据设计的方向、情况进行打印。在此过程中需要做好打印精度的控制，优化打印的效果。结束打印后检验成品、展示成品，观察曲轴的结构与预期要求是否相同，保障3D打印合理性。

    3.2 箱体类零件

    箱体零件具体包括减速器箱体、泵体箱体、阀体箱体。当然箱体零件不管是外在形态还是内在结构都十分的复杂。普通人在日常生活中实际上很难碰到这类零件，该类零件大多用于密封与容纳。

    传统加工中这类零件的制造对铸造模式的要求比较突出。大批量生产过程中通常会选用金属机器。不过因为金属机器本身的精度会出现一定问题，进而导致质量无法满足要求，所以在生产过程中如果出现一丝细微的误差，一整批零件最终都会受到影响。3D打印技术制作的箱体零件不仅准确度高，同时也不会影响其他加工，实现了失败率的有效控制、生产时间的有效控制，预防了装夹问题的发生，减少了设备、人力、材料方面的损耗。

    3.3 盘盖类零件

    这类零件大多用作箱体零件衔接，通常情况下，这类零件都是方形或是圆形的扁平状结构。盘盖类零件的功能包括坚固、轴向定位。设计过程中需要用3D打印技术优化内部结构，提高盘改类零件美观性与实用性。

    3.4 叉架类零件

    我们在平时的生活中经常能够看到很多的叉架类零件，这类零件为不对称样式。这类零件除了同种零件外，其他形状各不相同。比如摇臂、连杆、拨叉等。使用叉架类零件的目的是获得更好的转动效果与连接效果。

    叉架类零件孔精度要求较高，会受到加工材料影响。加工过程中叉架类零件很容易发生变形问题，加工中需要使用各种各样的夹具，浪费众多时间。3D打印技术能够改变这一问题，3D打印技术无需夹具，可以直接生产。且3D打印不用担心装夹带来的误差，导致零件作用无法得到最大化体现。

    3.5 液壓阀块

    所谓的液压阀块又称液压元件，这种装置的作用为控制管路压力油流动，能够让机械动作更加流畅。液压元件包括大量的液压油气孔道，对油液流动压力、流量、方向而言都有控制作用。正因其有着如此多的作用，所以设计难度非常突出。使用传统方式处理与制造时，流程非常复杂，难度比较巨大。加工中很多环节都有着较大的阻力与风险。只有做好了每一个环节的复杂度控制，才能够最大化液压阀块优势。使用3D打印技术处理与加工液压阀块生产，可以灵活解决各种生产问题。在弥补传统生产弊端的同时，完成了孔道有效改进。此外3D打印技术生产液压阀块还能够有效控制生产成本，提高加工性能。将这些技术总结到一起也就是能够完成形位公差控制，不用夹具就能够解决装夹需求。通过增加一定量的金属粉末便可以控制阀体重量与流体流向。在3D技术的支持下，自由完成液压阀块的设计，提高了液压阀块性能。

    对打印过程的分析可以得出，因液压阀块为金属制造，使用3D打印技术打印能够验证加工可行性。第一步转换数据，数据将作为最终3D模型的打印基础因素，以三角网格为代表。在此过程中检查模型的完整性，在模型为完整状态时，进行切片操作。切片操作就是设置好切片的参数与成型的方向，将数据导入、转化并存储到打印机当中。之后开始打印，将SD卡插入3D打印机，观测运行平稳性与打印时间，结束打印后，去除无用支撑，结束后展示成品，观察结构，承重与校对精度，分析其使用效果。

    3.6 转运站头罩

    这种装置是系统设备，负责运载物料。转运站头罩的结构包括三通分料器、导料槽、转运头罩与转运落料管。设计过程中需要同时考虑带速、输送高度，这些数据是结构设计的依据。使用传统方法制造会出现钢板变形、焊接变形、曲面加工难的问题。种种要素限制了转运头罩功能的发挥与体现。3D打印技术生产设计头罩的时候，可以有效改善上述要素，减少无用的结构包括法兰结构，提高了成型速度，不会受到材料因素的限制。

    对转运站头罩打印的分析可以得出，3D打印技术优化了空间曲面，且降低了结构复杂度。使用这一技术设计大型零件的过程中，需要准备好相对应的技术，确保该技术能够在生产设计过程中一体化成型，提高加工制造速度，降低产品制造难度。

    4 结语

    3D打印技术的优势非常突出，机械零件完全可以借助3D打印技术强大的功能进行设计。3D打印技术的特性不仅符合与体现了创新要求，同时还能够拓展打印技术使用范围。此外零件性能也可以在3D打印的途中得以优化，成型零件能够更好的满足使用需求。结合3D打印在众多机械零件中的实践设计结果可以看出，未来3D打印技术将拥有良好的发展前景。

    参考文献：

    [1]张德龙.基于3D打印技术下机械零件创新自由设计的思考[J].现代制造技术与装备，2018（06）：80-82.

    [2]刘丹，许贺，李芳琳.3D打印在汽车行业上的应用[J].科技创新与应用，2018（12）：164-165.

    [3]白龙.浅谈3D打印SLM技术在机械自动化加工中的应用[J].科技经济导刊，2018，26（07）：41.