3D打印對(duì)機(jī)械制造及自動(dòng)化的影響探析

13D打印技術(shù)原理

3D打印技術(shù)又可稱為3DP,即快速成型技術(shù),是一種以數(shù)字模型文件為依據(jù),以可粘合材料為主要工具,將可粘合材料逐層打印進(jìn)行完整物體構(gòu)造的技術(shù)。常用的粘合材料主要為塑料、粉末狀金屬。一般來(lái)說(shuō),3D打印需要依靠數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)進(jìn)行物體制造。

23D打印對(duì)機(jī)械制造及自動(dòng)化的影響

2.1改善機(jī)械制造布局

直接制造是3D打印技術(shù)的突出特點(diǎn),其可以在計(jì)算機(jī)軟件控制下直接根據(jù)圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)物體設(shè)計(jì)規(guī)劃,生成直觀的數(shù)據(jù)制造信息。相較于傳統(tǒng)生產(chǎn)加工線而言,3D打印技術(shù)生產(chǎn)效率更高,且生產(chǎn)成本較低。通過(guò)3D打印技術(shù)在機(jī)械制造及自動(dòng)化中的廣泛應(yīng)用,可以逐步淘汰以往人工、機(jī)器密集型生產(chǎn)技術(shù),進(jìn)一步簡(jiǎn)化機(jī)械制造流程,實(shí)現(xiàn)定制化、個(gè)性化機(jī)械零件的加工。

2.2推進(jìn)機(jī)械制造自動(dòng)化進(jìn)程

3D打印是機(jī)械制造自動(dòng)化發(fā)展的里程碑。相較于傳統(tǒng)打印技術(shù)而言,3D打印所噴射的粉末、液體類型不一,結(jié)合紙層疊、光固化等技術(shù)可以直接將多種材料組合制造成型。同時(shí)由于3D打印是由CAD軟件實(shí)現(xiàn),通過(guò)在機(jī)械制造中應(yīng)用3D打印技術(shù),可以將機(jī)械設(shè)計(jì)、制造等多個(gè)模塊進(jìn)行有效連接,進(jìn)一步推動(dòng)機(jī)械制造自動(dòng)化進(jìn)程。

33D打印在機(jī)械制造及自動(dòng)化的應(yīng)用

3.1機(jī)械混合加工

機(jī)械混合加工又可稱為HybridMachining,其主要是在一臺(tái)設(shè)備中完成機(jī)理不同的兩種或者兩種以上的加工工程,如3D打印與切削加工混合等。一方面,在混合加工技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中,可以在一臺(tái)車床中將銑削、車、鉆、攻絲、深瞠孔等多個(gè)工序有效結(jié)合,通過(guò)一次裝夾完成從毛坯到成品的完整加工。如在2016年我國(guó)主導(dǎo)研發(fā)的金屬3D打印技術(shù)"智能微鑄鍛"及鑄鍛銑（增量、等量、減量）合一技術(shù),在3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上加入了鍛打技術(shù),有效突破了3D打印在機(jī)械制造及自動(dòng)化中應(yīng)用的壁壘,開(kāi)啟了人類實(shí)驗(yàn)室制造大型機(jī)械的里程。鑄鍛銑（增量、等量、減量）合一技術(shù)主要利用"鑄鍛銑"一體機(jī),如鐵道轍叉貝氏體鋼自由增材成型一體機(jī),將設(shè)計(jì)、控制、檢測(cè)、工藝、裝配等模塊有效結(jié)合,進(jìn)行高鐵轍叉貝氏體鋼叉、航空大型承力多功能復(fù)雜材料零件、復(fù)合制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金零件、變向變徑變厚中空不銹鋼螺旋管及復(fù)雜的新建筑鋼構(gòu)多節(jié)點(diǎn)（11個(gè)節(jié)點(diǎn)）接頭產(chǎn)品的生產(chǎn)加工,開(kāi)辟了依靠一臺(tái)設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行鍛件設(shè)計(jì)加工的新歷史。

另一方面,機(jī)械混合加工可以充分發(fā)揮3D打印、切削加工方法優(yōu)勢(shì),通過(guò)車削時(shí)借助激光軟件機(jī)械工件表面等方式,改善以往鈦合金等材料加工難度大的問(wèn)題,改善加工零件復(fù)雜表面粗糙度、完整性,促進(jìn)高端產(chǎn)品的創(chuàng)新。以激光燒結(jié)3D打印為例,其又可稱之為L(zhǎng)aserassistedmachining,可以將激光束聚焦至切削刃前工件表面,在材料被切除前的瞬間將局部加熱至較高溫度,降低材料切削難度。在這個(gè)基礎(chǔ)上,通過(guò)激光燒結(jié)3D打印對(duì)工件表面進(jìn)行加熱,可以在一定程度上提高材料塑性,在減少刀具磨損的同時(shí),也可以降低切削力及振動(dòng),達(dá)到提高加工效率的目的。

3.2選擇性激光融化技術(shù)

選擇性激光融化技術(shù)又可稱為SLM技術(shù),其主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD,在受控條件下,利用高能激光源（能量密度大于106w/cm2）逐層融化金屬粉末后逐層固化,獲得三維幾何形狀的零件。常用的選擇性激光熔化激光器主要有光纖激光器、Co2激光器、Nd-YAG激光器等。SLM技術(shù)較其他3D打印技術(shù)而言,不僅可以突破機(jī)械制造周期瓶頸,而且可以最大限度提高生產(chǎn)效率。但是由于選擇性激光熔化技術(shù)具有較高冷卻速率,其最終制造機(jī)械自動(dòng)化部件微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能具有較大差異。

以ALSi10Mg合金機(jī)械自動(dòng)化制造加工為例,在具體應(yīng)用過(guò)程中,基于3D打印技術(shù)特殊性,可以首先通過(guò)T6熱處理技術(shù),在535℃下進(jìn)行固溶處理。隨后在158.0℃下進(jìn)行10h的人工時(shí)效處理。通過(guò)上述處理,可以在保證鋁合金拉伸、完全強(qiáng)度一定的同時(shí),提高鋁合金延展性。隨后根據(jù)成型件三維CAD模型分層切片信息,掃描系統(tǒng)振鏡,控制激光束作用于待成型區(qū)域內(nèi)粉末。在一層掃描完畢后活塞缸內(nèi)活塞會(huì)下降一個(gè)層厚距離,并向送粉系統(tǒng)內(nèi)輸送一定量金屬粉末,如圖1所示。同時(shí)鋪粉系統(tǒng)銀子會(huì)鋪展一層一定厚度的粉末,粉末可在已成型層上逐層沉積。在鋪粉-沉積過(guò)程充分至全部三維CAD模型切片層掃描完畢后,可以獲得成型ALSi10Mg合金配件。在成型ALSi10Mg合金配件加工完畢后,活塞缸會(huì)向上方推進(jìn),從成型裝備中抽出零件。

3.3打造高強(qiáng)度鋁合金

3D打印是包括汽車、航空航天在內(nèi)的機(jī)械制造與自動(dòng)化行業(yè)的潛在性突破技術(shù),通過(guò)在機(jī)械制造與自動(dòng)化行業(yè)應(yīng)用3D打印技術(shù),可以提高機(jī)械制造自由度、靈活性,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何形狀機(jī)械產(chǎn)品定制。在消除傳統(tǒng)規(guī)模精益約束的同時(shí),可以縮短機(jī)械制造產(chǎn)品上市時(shí)間?，F(xiàn)階段可用于3D打印的機(jī)械材料主要為合金,如Incone1718、TiAL6V4、A1Si10Mg、CoCr等。

以3D打印在TiAL6V4中的應(yīng)用為例,在增材制造過(guò)程中可以引入控制固化納米顆粒成核劑,利用激光、電子束等直接能量源,融化一層黃色金屬粉末,隨后將其固化至藍(lán)色,最后結(jié)合金屬原料的納米微粒組裝,熔合底層灰色金屬。其可以生產(chǎn)出不同納米顆粒原料,被靶向以誘導(dǎo)等軸晶粒生長(zhǎng)。而在利用成核劑后可以從根本上解決熔融、凝固動(dòng)力導(dǎo)致周期性裂紋、大柱狀晶粒等不可耐受微觀結(jié)構(gòu)。這種情況下,具有較高強(qiáng)度且與增材制造不相容的高強(qiáng)度鋁合金就可以利用選取激光熔化順利加工,實(shí)現(xiàn)等軸無(wú)裂紋的細(xì)晶粒微觀結(jié)構(gòu)處理,達(dá)到與鋁合金鍛造相差不大的材料強(qiáng)度。由于該增材制造方法僅需一臺(tái)3D打印機(jī)器進(jìn)行不同類型合金加工,可以進(jìn)一步優(yōu)化鋁合金沖鍛工藝,為3D打印廣泛的工業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述,在發(fā)展進(jìn)程中,3D打印已廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車、珠寶、土木工程等各個(gè)領(lǐng)域,在機(jī)械制造及自動(dòng)化方面優(yōu)勢(shì)也逐步凸顯。因此,為了充分發(fā)揮3D打印實(shí)際價(jià)值,相關(guān)行業(yè)人員應(yīng)在現(xiàn)有鋁合金沖鍛工藝的基礎(chǔ)上,結(jié)合3D增材制造原理,選擇恰當(dāng)?shù)?D打印機(jī)器。在計(jì)算機(jī)軟件的控制下,進(jìn)行不同合金與納米粒子組合制造。最終獲得強(qiáng)度與沖鍛工藝生產(chǎn)產(chǎn)品一致,且不受傳統(tǒng)機(jī)械制造方式約束的產(chǎn)品。