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精密光机电产品制造中的3D打印

文章来源: 日期 :2019-07-26

3D打印技术作为前沿先导性智能制造技术,冲击着传统设计,引领着市场方式和工艺的深刻变革,已得到世界各国的广泛关注。以美国、德国为代表的西方国家,采取了一系列措施来促进了3D打印技术的发展。美国将3D打印命名为国家制造,并由国防部牵头组建“国家增材制造创新研究院”,致力于3D打印技术的研究。我国为推进3D打印健康有序发展,工信部、发改委、财政部联合制订了《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》,从材料、工艺、装备、行业标准、应用示范等五个方面促进3D打印技术的应用与发展。

2010年以来,波音、空客、洛克希德马丁、GE以及国内相关单位都在3D打印的应用方面做出了表率行动。GE公司到2020年将通过3D打印生产约10万个零部件用于飞机,并已经在Alabama投资了5千万美元通过3D打印来生产喷油嘴。波音已经在通过3D打印技术来生产管道、叶片以及UAV零件。中国空间技术研究院成功研制了基于3D打印技术的星敏、动量轮等整体结构件,并已通过了装星鉴定及实验考核。


可以看到,军民用飞机、发动机、卫星制造等领域均在这场工业技术革命的浪潮中找到了自己的应用定位及未来发展方向。如图1所示,那么3D打印为以惯性行业为代表的精密光机电产品的制造过程带来了怎样的冲击,以及行业未来将如何发展3D打印技术呢?

3D打印技术的发展

3D打印(3D Printing)又称增材制造(AM),它是一种与传统加工方式不同的制造方法。传统加工方法是通过机械加工“去除材料”的方法得到所需的零件,是一个从大到小的过程,如图2所示,3D打印过程则与该过程相反,是通过“增加材料”的方法得到所需零件,是一个从小到大生长的过程。

 


3D打印有着许多不同的种类,它们的不同之处在于可用的材料类型。有些技术利用熔化或软化可塑性材料的方法来制造,例如:选择性激光烧结技术和熔融沉积技术,还有一些技术是用液体材料作为打印材料的,例如:立体平板印刷技术、分层实体制造技术。3D打印过去常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用(比如髋关节或牙齿,或一些航空航天零部件)已经有使用这种技术打印而成的零部件,“3D打印”技术已逐步走向普及。



3D打印的特点

目前,与传统制造相比,3D打印并没有规模经济效益的优势,然而却避免了标准化生产的最大劣势---缺乏灵活性。

1)3D打印具有可以为适应特殊需求,方便进行调整的特性,甚至可以说,其特性是方便改进且可适应多变的设计任务,满足快速设计、快速制造的需求。

2)3D打印的一大优势在于,过去各自成型再行组装的多个零部件如今可以作为一件产品一次性完成,如图4为某飞行器的气路喷嘴,按照3D打印的设计后零件数量由16个减少为1个)。

3)3D打印可用于制造组合元件,也可实现微细复杂的内部构造。

4)3D打印高度满足自由造型能力,使得蜂窝、竹节等仿生力学在这一领域有了极大的应用空间。



3D打印在光机电产品中的应用

目前,3D打印技术已广泛的应用于精密光机电产品的快速设计和制造阶段,满足了产品零件快速试装和验证的需求。同时,在光机电产品的轻量化设计制造和功能结构一体的设计制造方面取得了一定的应用进展。

1)快速原型制造方面。3D打印技术实现了由零件图纸到设备制造的快速流程制造,可以根据三维模型在很短的时间内完成实体零件制造,因此,它广泛应用于产品的模样阶段,实现了快速原型制造,图6为采用3D打印制造的产品保温罩零件,设计人员仅用1周的时间完成了结构零件的试装和验证工作,大大缩短了型号研制周期。

 


2)轻量化设计与制造方面。3D打印不需要设计上做妥协,传统方式需要若干个零件组合或者需要焊接才能组成的零件,打印一次就可以完成,有效地节约空间和材料。同时,3D打印为基于拓扑结构的优化设计提供了制造手段,图7为产品的3D打印优化设计的支撑架零件,传统设计中载荷支架由上支撑架、下支撑架和电机支架三部分组成,同时上支撑架与下支撑架的相对位置精度由螺钉把住外壳,依靠外壳精度保证。基于3D打印优化设计后,三个零件被设计为一体化结构,同时支架连接部分通过仿生拓扑优化设计,在保证自身结构强度的前提下实现了轻量化设计,重量仅为31.1g,而这种设计是传统的加工方式无法制造的。



3)复杂内部结构-功能零件的制造方面。如图8所示为外罩零件,在产品中为散热功能件,是典型的薄壁结构件,对材料致密度要求高,且具有多个风扇安装窗口和多条散热流道。采用基于增材制造的理想化设计改进后,制成了新一代内流道的优化产品,对于提升产品性能起到了很好作用,且加工周期由4个月缩短为1个月。

 


发展展望

根据光机电产品的特点,我们认为3D打印在精密光机电行业的未来发展,将会以精密制造为核心,以超轻量化结构、功能结构一体化和轻质特种材料制造为突破口,逐步展开,形成态势。

1)轻质特种材料的制造。以特种金属材料为代表的高尺寸稳定性材料是光机电产品结构件的首选材料。如未来能实现光机电行业专用的高尺寸稳定性材料的打印,将大幅度提高结构零件的精近成形加工的合格率,降低成本的同时缩短产品的生产周期。

2)功能结构一体化式的产品制造。利用3D打印技术在产品结构件上直接成形加热元件和控制元件,可以在提高温控、电磁屏蔽等精度的同时,提升与结构本体结合度,最终实现少装配、甚至免装配的产品集成制造。




3)超轻量化结构应用。3D打印技术为蜂窝、点阵结构等仿生轻量化设计提供了制造的可能,伴随着制造极限的不断突破,我们相信内部微细结构、点阵结构等超轻量化结构将成为未来精密光机电结构件的设计主流。