3D打印对机械制造及自动化的影响探析

13D打印技术原理

3D打印技术又可称为3DP,即快速成型技术,是一种以数字模型文件为依据,以可粘合材料为主要工具,将可粘合材料逐层打印进行完整物体构造的技术。常用的粘合材料主要为塑料、粉末状金属。一般来说,3D打印需要依靠数字技术材料打印机进行物体制造。

23D打印对机械制造及自动化的影响

2.1改善机械制造布局

直接制造是3D打印技术的突出特点,其可以在计算机软件控制下直接根据图形数据进行相应物体设计规划,生成直观的数据制造信息。相较于传统生产加工线而言,3D打印技术生产效率更高,且生产成本较低。通过3D打印技术在机械制造及自动化中的广泛应用,可以逐步淘汰以往人工、机器密集型生产技术,进一步简化机械制造流程,实现定制化、个性化机械零件的加工。

2.2推进机械制造自动化进程

3D打印是机械制造自动化发展的里程碑。相较于传统打印技术而言,3D打印所喷射的粉末、液体类型不一,结合纸层叠、光固化等技术可以直接将多种材料组合制造成型。同时由于3D打印是由CAD软件实现,通过在机械制造中应用3D打印技术,可以将机械设计、制造等多个模块进行有效连接,进一步推动机械制造自动化进程。

33D打印在机械制造及自动化的应用

3.1机械混合加工

机械混合加工又可称为HybridMachining,其主要是在一台设备中完成机理不同的两种或者两种以上的加工工程,如3D打印与切削加工混合等。一方面,在混合加工技术应用过程中,可以在一台车床中将铣削、车、钻、攻丝、深瞠孔等多个工序有效结合,通过一次装夹完成从毛坯到成品的完整加工。如在2016年我国主导研发的金属3D打印技术"智能微铸锻"及铸锻铣（增量、等量、减量）合一技术,在3D打印技术的基础上加入了锻打技术,有效突破了3D打印在机械制造及自动化中应用的壁垒,开启了人类实验室制造大型机械的里程。铸锻铣（增量、等量、减量）合一技术主要利用"铸锻铣"一体机,如铁道辙叉贝氏体钢自由增材成型一体机,将设计、控制、检测、工艺、装配等模块有效结合,进行高铁辙叉贝氏体钢叉、航空大型承力多功能复杂材料零件、复合制造航空发动机钛合金零件、变向变径变厚中空不锈钢螺旋管及复杂的新建筑钢构多节点（11个节点）接头产品的生产加工,开辟了依靠一台设备自动进行锻件设计加工的新历史。

另一方面,机械混合加工可以充分发挥3D打印、切削加工方法优势,通过车削时借助激光软件机械工件表面等方式,改善以往钛合金等材料加工难度大的问题,改善加工零件复杂表面粗糙度、完整性,促进高端产品的创新。以激光烧结3D打印为例,其又可称之为Laserassistedmachining,可以将激光束聚焦至切削刃前工件表面,在材料被切除前的瞬间将局部加热至较高温度,降低材料切削难度。在这个基础上,通过激光烧结3D打印对工件表面进行加热,可以在一定程度上提高材料塑性,在减少刀具磨损的同时,也可以降低切削力及振动,达到提高加工效率的目的。

3.2选择性激光融化技术

选择性激光融化技术又可称为SLM技术,其主要是通过计算机辅助设计CAD,在受控条件下,利用高能激光源（能量密度大于106w/cm2）逐层融化金属粉末后逐层固化,获得三维几何形状的零件。常用的选择性激光熔化激光器主要有光纤激光器、Co2激光器、Nd-YAG激光器等。SLM技术较其他3D打印技术而言,不仅可以突破机械制造周期瓶颈,而且可以最大限度提高生产效率。但是由于选择性激光熔化技术具有较高冷却速率,其最终制造机械自动化部件微观结构、力学性能具有较大差异。

以ALSi10Mg合金机械自动化制造加工为例,在具体应用过程中,基于3D打印技术特殊性,可以首先通过T6热处理技术,在535℃下进行固溶处理。随后在158.0℃下进行10h的人工时效处理。通过上述处理,可以在保证铝合金拉伸、完全强度一定的同时,提高铝合金延展性。随后根据成型件三维CAD模型分层切片信息,扫描系统振镜,控制激光束作用于待成型区域内粉末。在一层扫描完毕后活塞缸内活塞会下降一个层厚距离,并向送粉系统内输送一定量金属粉末,如图1所示。同时铺粉系统银子会铺展一层一定厚度的粉末,粉末可在已成型层上逐层沉积。在铺粉-沉积过程充分至全部三维CAD模型切片层扫描完毕后,可以获得成型ALSi10Mg合金配件。在成型ALSi10Mg合金配件加工完毕后,活塞缸会向上方推进,从成型装备中抽出零件。

3.3打造高强度铝合金

3D打印是包括汽车、航空航天在内的机械制造与自动化行业的潜在性突破技术,通过在机械制造与自动化行业应用3D打印技术,可以提高机械制造自由度、灵活性,实现复杂几何形状机械产品定制。在消除传统规模精益约束的同时,可以缩短机械制造产品上市时间。现阶段可用于3D打印的机械材料主要为合金,如Incone1718、TiAL6V4、A1Si10Mg、CoCr等。

以3D打印在TiAL6V4中的应用为例,在增材制造过程中可以引入控制固化纳米颗粒成核剂,利用激光、电子束等直接能量源,融化一层黄色金属粉末,随后将其固化至蓝色,最后结合金属原料的纳米微粒组装,熔合底层灰色金属。其可以生产出不同纳米颗粒原料,被靶向以诱导等轴晶粒生长。而在利用成核剂后可以从根本上解决熔融、凝固动力导致周期性裂纹、大柱状晶粒等不可耐受微观结构。这种情况下,具有较高强度且与增材制造不相容的高强度铝合金就可以利用选取激光熔化顺利加工,实现等轴无裂纹的细晶粒微观结构处理,达到与铝合金锻造相差不大的材料强度。由于该增材制造方法仅需一台3D打印机器进行不同类型合金加工,可以进一步优化铝合金冲锻工艺,为3D打印广泛的工业应用奠定基础。

4结语

综上所述,在发展进程中,3D打印已广泛应用于工业设计、汽车、珠宝、土木工程等各个领域,在机械制造及自动化方面优势也逐步凸显。因此,为了充分发挥3D打印实际价值,相关行业人员应在现有铝合金冲锻工艺的基础上,结合3D增材制造原理,选择恰当的3D打印机器。在计算机软件的控制下,进行不同合金与纳米粒子组合制造。最终获得强度与冲锻工艺生产产品一致,且不受传统机械制造方式约束的产品。