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摘 要：3D打印技术是近年来飞速发展的一种增材制造技术，其以高效一体化成型、可制造复杂结构的突出优势，在考古、医疗、艺术、工业、服装、军事、建筑、航空航天等领域发挥着至关重要的作用，并在智能高端装备制造中的地位愈加彰显。
關键词：3D打印技术;机械零件;增材设计;曲轴
中图分类号：TH122 文献标识码：A
3D打印技术具有高效、一体化成型、可生产复杂构件等优势。随着3D打印技术的日益成熟，该技术在各领域应用日益广泛，并取得了良好的应用效果。在工业制造领域，3D打印技术科实现复杂构件生产加工的轻量化、集成化、标准化，从而满足机械零件性能生产加工目标。文章基于3D打印在机械设计制造行业的应用展开讨论，主要分析基于3D打印技术下的轴套类零件、盘盖类零件、箱体类零件、叉架类零件的设计，并结合曲轴这一典型机械零部件为例进行分析。
1 3D打印技术的概念和原理
3D打印技术是增材制造概念的延伸。3D打印技术应用设计，数据处理及打印等几个环节。高度自由化是3D打印技术的重要特征，是基于功能目标而进行逆向设计，以功能、外观目标为导向，以3D打印技术为基础，在不考虑加工工艺、加工设备性能的前提下进行设计和加工，因此，在工业制造领域，3D打印技术具有良好的应用和实践优势。具体而言，基于3D打印技术的零件设计具有以下特点：
1.1 自由设计制造
基于3D打印技术的机械零件设计，以零件功能为导向进行设计，不需要考虑加工工艺、加工刀具、加工机械性能对零件加工的影响，实现零件设计的“所想即所得”。
1.2 缩短成型周期
基于3D打印技术的零件设计，不需要对复杂零件进行铆接或焊接加工，可通过热熔材料或黏结剂特性实现零件一次成型，在设计期间不需要考虑加工试生产的问题，在零件设计完成后即可进行成型，针对成型后的问题进行调整和优化，因此，基于3D打印技术的零件设计与成型是连续的，零件成型周期缩短，极大缩短了工业零件设计与加工周期。
1.3 可实现复杂结构的零件设计
3D打印技术最大的特点是设计高度自由化，尤其是在复杂零件设计中，3D打印技术通过三维模型进行设计，并通过结构切片逐层叠加实现三维模型直接成型。而相对于3D打印技术应用优势而言，传统零件设计中，随着零件设计复杂程度的提高，传统减材和等材加工难度提高，进而制约了传统机械零件设计复杂程度。
1.4 材料复杂性
传统的零件设计中，减材、等材加工一般采用单一材料，而针对复杂结构的零件设计，一般通过装配方式加以实现。而在3D打印技术中，借助3D打印技术特性，可通过不同材料的变换实现多种材料的融合应用，大大提高了机械零件应用的灵活性、复杂性。
1.5 简化零件装配
在传统的机械零件设计、加工中，一般采用铆接、焊接、栓接等方式实现零件装配，而基于3D打印技术可以实现复杂结构的一体化成型，大大降低了零件装配、连接的工作量，简化了零件流程，提高了机械加工制造能力。
2 基于3D打印技术的机械零件设计研究
基于3D打印技术的零件设计可实现零件设计、加工流程的简化，实现多个零件的集成化设计和一次成型。根据机械零件设计形状、功能等分类，可将机械零件设计分为轴套类零件、叉架类零件、箱体类零件和盘盖类零件。在3D打印技术应用过程中，3D打印技术设计程序基本相同，首先，根据零件功能目标确定零件设计成型方向，并施加相应的支撑，再将相关数据导入机械零件设计模型。在机械零件成型加工后，通过全面清洗去除零件打印中出现的毛刺。最后，针对成型后的零件进行校验和优化设计。针对不同零件设计具体分析如下。
2.1 基于3D打印技术的轴套类零件设计
在机械零件设计中，轴套类零件主要为同轴旋转体结构，如丝杠、套筒、轴等，轴套类类零件一般径向尺寸小于轴向尺寸。相对于传统的轴套类零件设计与加工，3D打印技术适用于非批量化的生产，主要面向个性化要求较高或机械零件设计研发过程中的非标零件，在这个过程中，3D打印技术应用优势得以凸显。
在轴套类零件设计过程中，3D打印技术以功能需求为基础，注重重要零件的必要功能，尽可能减少零件设计中的非必要结构。以轴零件为例，其主要功能为传递扭矩与支撑，在零件设计时需要重点考虑其扭矩、受力情况，并以此确定轴的规格尺寸，并以此作为轴零件设计的基础，实现轴零件的一体化设计。针对轴的轻量化设计中，可将轴内部的实心结构设计为格栅结构或者夹层结构，恰当的空心结构不但可以增加轴的强度，而且可大大降低轴的重量。
2.2 基于3D打印技术的叉架类零件设计
在机械零件设计中，叉架类零件一般为非对称结构，且结构形式呈多样化、复杂化，如摇臂、连杆、杠杆等，零件功能主要为连接、支撑、操作或传动等。针对叉架类零件设计与加工，传统的零件设计、加工工序较为复杂且连续性较差。同时，此类零件一般需要加工高精度的孔，在零件材质刚性不高的情况下，零件加工过程中可能出现零件变形、偏斜等问题。此外，传统的加工方式需要借助不同的夹具、刀具进行加工，一定程度上提高了叉架类零件的加工工艺复杂程度。而基于3D打印技术的叉架类零件设计，可通过设计、成型一体化，不需要考虑夹具、刀具的问题，大大简化了叉架类零件设计与加工难度。
2.3 基于3D打印技术的箱体类零件设计
在机械零件设计中，箱体类零件主要是泵体、阀体、缸体等，此类零件一般内部结构或外部形状较为复杂。基于3D打印技术的零件设计中，在零件设计时不需要考虑何须加工工艺，可通过个性化、高度自由化设计方法实现此类零件的设计与加工，进而提高了箱体类零件的加工精度、功能要求。
2.4 基于3D打印技术的盘盖类零件设计
盘盖类零件的结构多为方形或者圆形的扁平盘状，径向尺寸要远大于轴向尺寸。在传统设计方法中，盘盖类零件需要设置相应的凹坑、螺孔或者凸台等结构，主要通过车削或者铸锻造毛坯加工成型。
基于3D打印技术下的创新自由设计能够应用于盘盖类零件中，其功能主要涉及轴向定位、密封、支撑以及防尘等。在创新自由设计中，先要确定盘盖类零件的必要功能，尽量减少其不必要功能，比如，轴承端盖可以将拔模斜度删减掉，并对盘盖类零件的免装配设计进行深入研究，进一步简化零件的装配工序。
3 基于3D打印技术下曲轴创新自由设计
通过创新自由设计时实现曲轴的必要功能，简化不必要功能。如曲轴的退刀槽、止推面等结构是实现传统加工过程的必要结构，3D打印加工曲轴时，这些辅助结构均可简化。3D打印技术加工曲轴最大优势在于简化加工工序，节约时间成本，降低加工难度。
4 结论
3D打印技术可以有效提升机械零件的功能与价值，在未来应用中有巨大前景。通过本文的分析可知，基于3D打印技术，设计人员在进行机械零件创新自由设计时，需要对机械零件的功能进行分析，在设计中突出零件的必要功能，尽量减少其不必要功能，并对零件进行轻量化设计，提高机械零件加工的经济性，促进机械制造领域的可持续发展。
参考文献：
[1]魏宁，郑誉煌，林舒静，等.机械工件3D打印关键技术的研究[J].福建电脑，2017，33（04）：63+109.
[2]夏端武，薛小凤.3D打印技术对机械制造业产生的影响[J].机械设计与制造，2016，54（12）：184-186.
關键词：3D打印技术;机械零件;增材设计;曲轴
中图分类号：TH122 文献标识码：A
3D打印技术具有高效、一体化成型、可生产复杂构件等优势。随着3D打印技术的日益成熟，该技术在各领域应用日益广泛，并取得了良好的应用效果。在工业制造领域，3D打印技术科实现复杂构件生产加工的轻量化、集成化、标准化，从而满足机械零件性能生产加工目标。文章基于3D打印在机械设计制造行业的应用展开讨论，主要分析基于3D打印技术下的轴套类零件、盘盖类零件、箱体类零件、叉架类零件的设计，并结合曲轴这一典型机械零部件为例进行分析。
1 3D打印技术的概念和原理
3D打印技术是增材制造概念的延伸。3D打印技术应用设计，数据处理及打印等几个环节。高度自由化是3D打印技术的重要特征，是基于功能目标而进行逆向设计，以功能、外观目标为导向，以3D打印技术为基础，在不考虑加工工艺、加工设备性能的前提下进行设计和加工，因此，在工业制造领域，3D打印技术具有良好的应用和实践优势。具体而言，基于3D打印技术的零件设计具有以下特点：
1.1 自由设计制造
基于3D打印技术的机械零件设计，以零件功能为导向进行设计，不需要考虑加工工艺、加工刀具、加工机械性能对零件加工的影响，实现零件设计的“所想即所得”。
1.2 缩短成型周期
基于3D打印技术的零件设计，不需要对复杂零件进行铆接或焊接加工，可通过热熔材料或黏结剂特性实现零件一次成型，在设计期间不需要考虑加工试生产的问题，在零件设计完成后即可进行成型，针对成型后的问题进行调整和优化，因此，基于3D打印技术的零件设计与成型是连续的，零件成型周期缩短，极大缩短了工业零件设计与加工周期。
1.3 可实现复杂结构的零件设计
3D打印技术最大的特点是设计高度自由化，尤其是在复杂零件设计中，3D打印技术通过三维模型进行设计，并通过结构切片逐层叠加实现三维模型直接成型。而相对于3D打印技术应用优势而言，传统零件设计中，随着零件设计复杂程度的提高，传统减材和等材加工难度提高，进而制约了传统机械零件设计复杂程度。
1.4 材料复杂性
传统的零件设计中，减材、等材加工一般采用单一材料，而针对复杂结构的零件设计，一般通过装配方式加以实现。而在3D打印技术中，借助3D打印技术特性，可通过不同材料的变换实现多种材料的融合应用，大大提高了机械零件应用的灵活性、复杂性。
1.5 简化零件装配
在传统的机械零件设计、加工中，一般采用铆接、焊接、栓接等方式实现零件装配，而基于3D打印技术可以实现复杂结构的一体化成型，大大降低了零件装配、连接的工作量，简化了零件流程，提高了机械加工制造能力。
2 基于3D打印技术的机械零件设计研究
基于3D打印技术的零件设计可实现零件设计、加工流程的简化，实现多个零件的集成化设计和一次成型。根据机械零件设计形状、功能等分类，可将机械零件设计分为轴套类零件、叉架类零件、箱体类零件和盘盖类零件。在3D打印技术应用过程中，3D打印技术设计程序基本相同，首先，根据零件功能目标确定零件设计成型方向，并施加相应的支撑，再将相关数据导入机械零件设计模型。在机械零件成型加工后，通过全面清洗去除零件打印中出现的毛刺。最后，针对成型后的零件进行校验和优化设计。针对不同零件设计具体分析如下。
2.1 基于3D打印技术的轴套类零件设计
在机械零件设计中，轴套类零件主要为同轴旋转体结构，如丝杠、套筒、轴等，轴套类类零件一般径向尺寸小于轴向尺寸。相对于传统的轴套类零件设计与加工，3D打印技术适用于非批量化的生产，主要面向个性化要求较高或机械零件设计研发过程中的非标零件，在这个过程中，3D打印技术应用优势得以凸显。
在轴套类零件设计过程中，3D打印技术以功能需求为基础，注重重要零件的必要功能，尽可能减少零件设计中的非必要结构。以轴零件为例，其主要功能为传递扭矩与支撑，在零件设计时需要重点考虑其扭矩、受力情况，并以此确定轴的规格尺寸，并以此作为轴零件设计的基础，实现轴零件的一体化设计。针对轴的轻量化设计中，可将轴内部的实心结构设计为格栅结构或者夹层结构，恰当的空心结构不但可以增加轴的强度，而且可大大降低轴的重量。
2.2 基于3D打印技术的叉架类零件设计
在机械零件设计中，叉架类零件一般为非对称结构，且结构形式呈多样化、复杂化，如摇臂、连杆、杠杆等，零件功能主要为连接、支撑、操作或传动等。针对叉架类零件设计与加工，传统的零件设计、加工工序较为复杂且连续性较差。同时，此类零件一般需要加工高精度的孔，在零件材质刚性不高的情况下，零件加工过程中可能出现零件变形、偏斜等问题。此外，传统的加工方式需要借助不同的夹具、刀具进行加工，一定程度上提高了叉架类零件的加工工艺复杂程度。而基于3D打印技术的叉架类零件设计，可通过设计、成型一体化，不需要考虑夹具、刀具的问题，大大简化了叉架类零件设计与加工难度。
2.3 基于3D打印技术的箱体类零件设计
在机械零件设计中，箱体类零件主要是泵体、阀体、缸体等，此类零件一般内部结构或外部形状较为复杂。基于3D打印技术的零件设计中，在零件设计时不需要考虑何须加工工艺，可通过个性化、高度自由化设计方法实现此类零件的设计与加工，进而提高了箱体类零件的加工精度、功能要求。
2.4 基于3D打印技术的盘盖类零件设计
盘盖类零件的结构多为方形或者圆形的扁平盘状，径向尺寸要远大于轴向尺寸。在传统设计方法中，盘盖类零件需要设置相应的凹坑、螺孔或者凸台等结构，主要通过车削或者铸锻造毛坯加工成型。
基于3D打印技术下的创新自由设计能够应用于盘盖类零件中，其功能主要涉及轴向定位、密封、支撑以及防尘等。在创新自由设计中，先要确定盘盖类零件的必要功能，尽量减少其不必要功能，比如，轴承端盖可以将拔模斜度删减掉，并对盘盖类零件的免装配设计进行深入研究，进一步简化零件的装配工序。
3 基于3D打印技术下曲轴创新自由设计
通过创新自由设计时实现曲轴的必要功能，简化不必要功能。如曲轴的退刀槽、止推面等结构是实现传统加工过程的必要结构，3D打印加工曲轴时，这些辅助结构均可简化。3D打印技术加工曲轴最大优势在于简化加工工序，节约时间成本，降低加工难度。
4 结论
3D打印技术可以有效提升机械零件的功能与价值，在未来应用中有巨大前景。通过本文的分析可知，基于3D打印技术，设计人员在进行机械零件创新自由设计时，需要对机械零件的功能进行分析，在设计中突出零件的必要功能，尽量减少其不必要功能，并对零件进行轻量化设计，提高机械零件加工的经济性，促进机械制造领域的可持续发展。
参考文献：
[1]魏宁，郑誉煌，林舒静，等.机械工件3D打印关键技术的研究[J].福建电脑，2017，33（04）：63+109.
[2]夏端武，薛小凤.3D打印技术对机械制造业产生的影响[J].机械设计与制造，2016，54（12）：184-186.