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分析3D打印技术在船用柴油机领域的应用前景

导读: 船用柴油机作为传统行业有其自身的特点,目前3D打印技术的水平还无法挑战传统工艺在船用柴油机领域中的地位,但是3D打印技术具有广泛的应用潜力,可以作为传统工艺的一种有利补充,应用在小批量产品研发和试验件制造。

近年来,3D打印技术发展势头迅猛,已被广泛地运用于航空航天、汽车零部件、重大装备、文化创意、生物医学等领域 ,根据美国添加制造技术咨询服务协会Wohlers在2013年发布的年度 报告,3D打印产品在2013年全球市场规模约为40亿美元,相比2012年市场年均复合增长率近100%,预计到2017年3D打印市场份额将达到50~60亿美元左右。但是在船舶行业的应用鲜有报道,作为一种新兴的制作技术,有必要了解其原 理及其在船用柴油机中的应用前景。

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1 3D打印技术基本原理

1.1 3D打印技术原理 

根据维基百科对3D打印技术的解释:“它运用粉末状金属或塑料等可黏合材料,通过一层又一层的多层打印技术来构造零部件。”通俗地说,3D打印就是在普通二维打印的基础上再加一维,之所以还称之为“打印”,则是因为其借鉴了二维打印的技术原理,分层加工的形式和喷墨打印的过程相似,只不过打印的材料是“实物”而不是“墨水”。3D打印技术的原理如图1所示,首先通过一组平行平面去截零件,得到一系列足够薄的切片(一般为0.01~0.1mm)或者称之为二维零件模型,然后按照一定规则堆积起来即可得到整个零件。

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图1 3D打印技术原理示意图

1.23D打印技术工作流程 

根据3D打印技术的原理,在进行实物打印时 需要以物体三维数字模型为基础,输出利用三角面模拟几何模型的STL格式几何文件给专业分层软件,利用软件将三维模型分层离散,根据实际层面信息进行工艺规划并生成供打印设备识别的驱动代码,根据代码命令利用不同技术方式的打印设备,再使用激光束、热熔喷嘴等方式,将金属、陶瓷等粉末材料或纸、聚丙烯等固体材料以及液体树脂、细胞组织等液态材料进行逐层堆积黏结成型,最后再根据打印设备技术特点进行固化、烧结、抛光等后处理。其工作流程如图2中所示。 

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图2 3D打印技术工作流程图

2 国内发展现状 

近年来随着国际和国家层面对3D打印技术的关注和支持,国内研究持续火热,为整合资源,形成设备、材料全产业链开发,将整个产业做大做强,高校和地方政府结合组建产业联盟的形式逐渐兴起,已经成立的有中国3D打印产业联盟、陕 西省3D产业创新平台、浙江省3D打印产业联盟等,上海、南京等地也在逐渐酝酿成立3D产业联盟。3D产业技术在20世纪90年代初由清华大学颜永年教授引入国内,但是由于和CNC加工中心存在竞争关系,往往只作为CNC的补充,多停留在高校研究和教育培训领域。

而国内企业产品多以自主开发桌面级产品,同时代理国外工业级产品的模式为主,产业化进程缓慢,自主开发的产品在成型精度、成型速度以及产品稳定性方面和国外产品尚存在一定差距。高附加值的粉末等原材料开发工艺能力不足,企业经营模式也较为单一。近年来随着3D打印技术的进步和国外市场的推动,国内西安交大的卢秉恒院士等团队、湖南华曙等企业,在解决激光成型中变形开裂,尼龙烧结材料研制等方面均取得了一定的成果,特别是在航 天领域已经达到世界先进技术水平  。

3 3D打印技术优缺点分析 

3.1 3D打印技术的优点

3D打印技术的主要优点:

(1)设计制造快速一体化。由设计三维模型直 接驱动制造,通过三维模型识别、分层转换、代码生成、叠加成型等一系列过程,在一定程度上实现了设计、制造一体化。这样就可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转换成真实的产品模型,从而可以对正处于设计阶段的产品做出快速评价、修改及功能试验。 

(2)高效率生产。可以实现无人操控的自动生产,且无需开发模具,产品周期可以缩短近4/5;零件的形状和结构设计也没有任何约束,有利于激发设计的思维活跃度,实现个性化和定制化,基于拓扑设计优化的复杂模型的直接制造也成为可能。

(3)材料丰富。材料没有限制,树脂、塑料、陶瓷、纸质、金属亦或复合材料都可以使用,甚至 可以根据零件实际功能要求实现不同部位不同材料。 

(4)低研发成本。与传统“去材制造”有别,无需初始生产线和模具投入,一次打印完剩余的原材料还可重复利用,提高了材料和能源的利用效率,大幅度减少了原材料消耗浪费以及对环境地破坏。 

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3.2 3D打印技术的缺点 

从中长期看,3D打印技术具有较为广阔的发展前景,但目前产业化距离成熟阶段尚有较大距离,3D打印技术还须进一步克服以下缺点: 

(1)尺寸限制明显,制造成本高,金属材料种类偏少;大型零件打印时间太长,与传统加工方式相比没有优势;现有3D打印机造价普遍较为昂贵,金属3D打印机的售价一般要400~500万以上,有的甚至过千万;材料粉末价格比材料本身高10倍以上,且目前可用的金属材料种类较少,这都给其进一步普及应用带来了困难。 

(2)精度和效率难平衡,无法满足高效生产。目前3D打印成品的精度还不尽如人意,表明光滑度与产品要求仍差距明显,打印效率与铸造等批量生产方式相比,产能还远不能满足大规模生产的需求,而且受打印机工作原理的限制,打印精度与速度之间存在严重冲突,制造精度与制造效率的平衡问题还有待解决。 

(3)金属零件工作强度偏低。目前,3D打印技术的金属构件无法达到高温、重载、冲击等极其严酷的工况的要求,还须配合后续的致密性处理,如静压处理等;经过加工后,堆积成型产品的韧性与强度等都有待进一步提高。 

(4)打印过程可能造成人体危害,产业环境急须立法完善。3D打印部分设备由于原料为粉末,在成品后处理过程中不可避免会产生一定的粉尘,可能会对人体呼吸道和肺部带来一定的疾病隐患。同时,由于3D打印产品更容易被复制和扩散,产品设计和生产各阶段都存在一定的侵权风险,容易引起知识产权纠纷,急须立法保护。

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