熊海涛

(武汉职业技术学院 机电工程学院，武汉 430074)

0 引言

目前，各国科学家都比较重视3D打印技术的改进和利用该技术进行更有效的工业活动。尤其是在机械产品设计和研发过程中对这项技术的认可度已经相当高，产品开发普遍使用3D打印技术制作样品。2013年，全球首支3D打印金属枪出现，这款手枪是仿照布郎宁1911式的手枪，只需5～7min就可以装配完成30多个3D打印的不锈钢和一些特殊合金材料的原件。在农机制造行业中，一些复杂的缸体和轴承座等零部件是采用铸造完成的，而铸造过程首先需要设计的便是模具。如果采用3D技术对农机部件的模具进行设计和制造，将有效地降低设计制造成本，缩短设计周期，提高设计效率。

1 机械零部件的3D打印技术

在机械零部件模具设计制造行业，由于3D打印技术的出现，其设计制造周期被大大缩短，从而缩短了整个机械零部件开发的周期，成为创新设计制造的一种方法。在以往的生产设计中，由于考虑使用新模具会产生大量的资金成本消耗，很多机械设计制造企业或许会旋转推迟模具的开发或者放弃模具的更新；而采用3D技术可以有效地解决这个问题，它能够使模具设计周期跟得上产品设计周期的步伐。

图1为隆源成型制造的离合器壳体的3D打印蜡模。采用3D打印技术后，可以在完成模型的设计之后，采用3D打印软件对蜡膜进行打印，在几小时之内便可以打印好一个模具；而如果采用传统方法，在完成模型设计后还需要对制造工艺进行规划，然后利用机械加工的手段，对模具进行加工制造，其加工周期较长、耗材多。

图1 基于3D打印的离合器蜡膜

隆源采用3D打印蜡膜成功地铸造了离合器(见图2)，其铸造精度相对于传统的加工制造方法还要高，可以取代传统的模具制造方法。将其使用在农具零部件模具的设计和生产制造过程中，将有效地提高产品的设计效率。

图2 采用3D打印蜡膜铸造的离合器

2 基于3D打印技术的零部件模具制造和零件再修复技术

传统的模具制造过程中，首先要对模具进行3D软件设计；然后根据制造工艺对模型进行修正、分析模流，确定分型线和进料点；最后将设计好的模具发给客户，客户确认之后再开始生成图纸，设计加工流程和工艺，其流程如图3所示。从设计流程可以看出，采用传统方法制造模具所需的人力、物力和财力都非常多，生产周期较长。

图3 模具传统制造流程

在客户确认图纸后，开始生成模具的零件图纸，然后确定加工工艺；在加工工艺确定之前，还需要对制造工艺进行审查；确定加工工艺后，便可以进行数控加工编程，并选择合适的刀具、夹具和数控机床。在加工之前可以先进行软件仿真模拟，最后通过误差修正进行机床的模具加工制造，其过程较为繁琐。采用3D打印技术则可以有效地提高模具的制造效率，其流程如图4所示。

图4 3D打印模具制造流程

利用3D打印技术进行模具制造时，首先需要撒一层粉末材料，然后利用喷嘴喷洒粘合剂到加工区域，粉末粘结后形成一层零件表面；根据这个流程一直重复，层层叠加，最后形成零件。与传统的模具制造工艺相比，这种模具制造过程不需要复杂的工艺设计，也无需复杂的机床，节省了大量的人力物力，有效地缩短了设计和加工制造周期。

不同的3D打印机的工作原理不同，其实用过程和设备也不相同。目前，主流的3D打印技术主要包括 FDM、SLA、SLS 等。这几种技术的主要不同之处在于使用的耗材不同，其打印过程的成型方法也不同。其基本流程如图5所示。

图5 3D打印快速成型基本流程图

在产品量少、复杂和个性化较强时，如果使用大规模生产线可以降低生产成本，其制造方式也具有降低耗材的优势。例如，其增材的制造方式和传统的减材制造方式相比较，可以节省大量的原材料。相对于传统的铸造技术，3D打印可以制造出更加复杂和精确的模具，而且更加方便和快捷，简化了模具的生成制造过程。如果再设计过程中需要修改数据，对产品进行优化，无需复杂的工艺修改，只需重新打印即可。3D打印还有另一个重要的应用是可以对废旧的农机零部件进行修复，使农机部件性能得到提升，从而延长服役寿命。再制造的基本流程如图6所示。

图6 农机装备零部件3D 打印再制造流程图

农机装备零部件的再制造和直接打印的主要区别在于再制造零件模型的获取，需要利用反求工程反求废旧损伤农机零部件的原来数字模型，然后对模型进行处理，通过将原模型和现在损伤废旧模型进行对比，最终形成再制造模型。但是，由于再制造时使用的材料和原模型材料不尽相同，加上损伤部位的不规则性，再制造修复零件需要涉及更多的领域和更广的技术，因此其过程更为复杂。

3 3D打印技术的拖拉机零部件模具制造

随着农业现代化技术的发展，农业机械成为机械设计制造行业非常重要的部分，利用3D打印技术设计制造拖拉机零部件的模具对于农机的制造模式将会产生颠覆性的影响。对于一些加工复杂而精确度要求又较高的零件，利用3D打印技术通过三维建模可以精确打印出来，且相比传统加工方式加工出来的精度更高，对于提高农机的设计制造效率具有重要的意义。对于农机零部件模具的设计制造，首先需要建立农机零部件的三维模型。本次以拖拉机常用的轴承座为例，首先利用菜单栏的新建命令，创建一个拖拉机零部件的零件文件；然后，设计轴承座的草图，标注尺寸，通过对二维模型的拉伸和加倒角等操作，得到了如图7所示的拖拉机轴承座三维模型。

图7 轴承座三维模型

为了实现轴承座三维模型的3D打印，需要对模型进行切片处理，将轴承座三维模型的STL文件导入到软件中进行切片，根据零部件创建新的机器平台，然后确定轴承座的尺寸和位置，如图8所示。

图8 轴承座切片处理

图8中，在进行切片处理时，除了考虑传统的轴承座设计制造工业，还需要确定切片的厚度等。轴承座的切分结果如图9所示。

利用拖拉机模具的生成文件，完成了拖拉机轴承座3D打印的切片功能，最后将生成的STL软件进行保存，然后输入到3D打印机里，便可以对拖拉机轴承盖进行3D打印。拖拉机零部件的零件打印好之后，还需要对其毛刺和不规则的凹凸不平的地方进行机械修复，最后确定零件没有问题后便可以进行批量化生产。

利用传统加工方法和3D打印技术的时间对比如表1所示。由表1可以看出：采用3D打印技术对拖拉机模具进行制造，可以有效地提高模具的设计制造效率。

图9 拖拉机零部件模具切片模型

拖拉机零件模具编号3D打印设计制造周期/天传统方法设计制造周期/天12.310.222.512.553.213.662.610.153.19.963.815.8

利用3D打印技术对农机零件模具制造的工序进行了规划，并将其和传统方法进行了对比，如表2所示。由表2可以看出：采用3D打印技术所需的工序较少，从而可以有效地提高拖拉机零部件模具的制造效率。

表2 加工工序比较

4 结论

为了提高拖拉机铸造零部件模具的设计制造效率，将3D打印技术引入到了拖拉机零部件模具的生产制造过程中，并以拖拉机零部件模具的3D打印为例，采用软件建模的方法设计了模具的三维模型和切片，最后切片文件输入到3D打印件中完成了零部件的打印。为了验证3D打印的高效性，将3D打印模具制造和传统的设计制造方法进行了对比，主要包括加工工序的多少和加工周期的长短。由对比结果可以看出：采用3D打印技术可以有效提高设计加工效率，对农机零部件模具设计制造方法的研究具有重要意义。