【关键词】3D打印增材制造技术；机械制造；应用

引言

机械制造作为国民经济中的重要支柱产业，在促进经济发展和增强国家竞争力等方面发挥着至关重要的作用。传统的机械制造工艺经过了漫长的发展历程，虽然取得了令人瞩目的成绩，但是面对复杂零部件制造的个性化定制要求，也渐渐显露出许多局限性。3D打印增材制造技术是新兴的制造技术之一，由于其逐层累加材料这一特殊的制造方式打破了传统制造过程中的局限性，给机械制造行业带来了全新的发展契机。深入研究3D打印增材制造技术在机械制造中的应用，对于提高机械制造效率，降低生产成本和促进产品质量等方面都有着十分重要的意义。

一、3D打印增材制造技术概述

（一）技术原理

3D打印增材制造技术是建立在离散堆积原理基础上的。首先，通过使用计算机辅助设计软件来创建产品的三维模型，设计师可以采用参数化设计和逆向工程等方法来精确创建复杂的产品模型。在搭建好产品模型之后，对模型按一定的厚度切片，产生一系列的二维截面数据。切片厚度选择对打印精度和效率有直接的影响，需要根据产品要求进行合理设置。

随后，3D打印设备依托这些二维数据，采用熔融沉积、光固化和粉末烧结等具体物料添加方式，逐层累加物料，最终构建出三维实体产品。以熔融沉积建模技术为例，该技术通过加热喷头将丝状材料（如塑料、金属丝等）加热至熔融状态，喷头在数控系统的精确控制下，按预设路径对物料进行挤压和逐层堆积处理，通过逐层叠加的方式构造三维物体。在光固化成型这一技术应用中，液态光敏树脂通过紫外光的照射实现逐层固化，从而能够生产出具有高精度和优良表面质量的部件[1]。

（二）技术特点

1.设计自由度高

3D打印增材制造技术摆脱了传统制造过程中模具、加工工艺等因素的束缚，可以快速地实现复杂几何形状的零部件制造。设计师可以根据产品的功能需求自由地对零部件内部结构及外部形状进行设计，例如晶格结构、薄壁结构、仿生结构等，这些都是传统制造工艺中很难实现或非常昂贵的。以航空航天领域为例，可以设计出轻量化晶格结构零部件来降低重量和改善飞行器性能，同时确保飞行强度。

2.个性化定制能力强

这种技术能够根据不同顾客的个性化需求迅速调整产品的设计和生产。无需像传统制造那样，为每个个性化产品重新开模或调整生产线，从而大大缩短了产品开发周期，降低了个性化定制成本，尤其适用于小批量、多品种的生产需求。比如在医疗器械制造方面，可以给病人量身打造个性化植入物以改善治疗效果，提升病人舒适度。

3.材料利用率高

区别于传统机械加工“减材制造”模式，3D打印增材制造技术基于产品模型层层积料，制造时基本没有多余废料，材料的使用效率可以超过90%，这大大减少了材料的成本，并与可持续发展的理念相契合。以金属加工为例，传统的加工方式会生产出大量的边角料，通过3D打印可以准确地控制物料的使用情况，避免资源浪费。

4.生产周期短

3D打印增材制造技术不需要繁杂的工装夹具准备及多道加工工序，由设计模型向实体产品转换的流程简单而直接。对于某些复杂零部件来说，传统制造也许要几个星期甚至几个月的时间，3D打印只需几个小时到几天的时间，极大地缩短了产品开发与生产的周期，加快了企业响应市场的速度。在新产品的研发阶段，可以迅速地制造出用于测试与优化的样机，从而加快产品的上市时间[2]。

二、3D打印增材制造技术在机械制造中的应用

（一）复杂零部件制造

在机械制造过程中有大量外形复杂、用传统加工工艺很难生产出来的零部件。以航空发动机涡轮叶片为例，涡轮叶片内部冷却通道结构复杂，目的是提高发动机热效率及可靠性。利用3D打印增材制造技术可以直接按照设计模型层层堆叠金属材料，准确地制造内部结构复杂的涡轮叶片，不需要经过烦琐的机械加工与装配，极大地提高了制造精度与效率。打印时通过对激光能量和扫描速度的准确控制来保证材料冶金结合质量和增强叶片性能。