3D打印技术在农机制造与维修领域应用技术研究
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摘 要： 随着社会经济的发展，3D 打印技术日趋成熟，有关3D 打印技术在农机制造与维修领域中的应用研究备受关注。在对FDM、SLS、SLM、SLA等主流3D 打印技术作出简要分析和论述的基础上，对3D 打印技术在农机维修领域中的应用进行了研究。3D打印技术和逆向工程技术、熔模铸造技术等相结合，将改变传统农业机械设计的流程和思路，提升农机零件加工效率，同时也将促进农业机械的应用模式创新，有助于农业机械制造水平的提高。
关键词： 3D 打印;农业机械;逆向工程
中图分类号： TP391.73;S220 文献标识码： A
doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.10.011
0 引言
3D打印技术是指将沿三维实体高度方向的二维截面图层进行累加，通过逐层增添材料的方式来生成三维实体的技术。与数控加工技术等减除材料加工方式不同，零件的成型通过逐层材料堆积完成，因此称为增材制造技术。3D打印技术已在模具制造、汽车零件、航空航天、消费电子产品和医疗器械等领域得到了广泛应用。随着3D打印技术的日趋完善，3D打印技术在汽车轻量化设计、内外饰件制造以及维修领域中得到广泛的应用与研究，在农机制造领域应用特别是农机零件定制化研究领域也逐渐获得关注。
1 农机零件制造领域常用的3D打印技术
农用机械主要由金属和高分子塑料件组成，制造这些零件所采用的3D打印技术主要包括：熔融沉积成型技术（FDM）、选择性激光烧结技术（SLS）、激光选区熔化技术（SLM）和激光选区光固化技术（SLA）等[1]。
熔融沉积成型技术（Fused deposition modeling，FDM）是将线状热熔性高分子材料加热融化，三维喷头根据实体二维截面轮廓信息，在计算机的控制下将熔融材料选择性地涂附在工作台上，熔融材料随即快速冷却形成二维截面形状。一层成型完成后，再成型下一层，直至形成整个实体造型。FDM技术其成型材料种类多，包括PLA、蜡、ABS及尼龙等。FDM技术成型零件较小，成型件强度高、精度较高，主要用于农机产品小型零件的概念设计、原型样品制作、产品外观和功能验证。
选择性激光烧结法（Selective laser sintering，SLS）又称为选区激光烧结。它的工作原理是预先在设备的工作台上铺一层金属粉末或非金属粉末，激光根据实体界面轮廓信息，在计算机控制下对产品实心部分范围内的粉末进行烧结，然后不断叠加，层层堆积成型。 SLS工艺采用的材料包括尼龙、覆膜砂、蜡、PC、金属粉末和陶瓷粉末等。SLS工艺打印农机零部件可以分为直接零件打印和间接零件打印两种，可直接打印零件主要以尼龙零件为主（如后视镜框、仪表盘、外装饰等塑料件），间接零件打印主要是采用石蜡、覆膜砂型、砂芯等材料，先打印出零件的铸造模具，然后再采用数控加工等方式进行再加工，即通过3D打印技术与传统铸造相配合实现复杂金属零件毛坯的快速制造。
激光选区熔化技术（Selective laser melting，SLM）是在高能激光作用下，金属粉末完全熔化，经散热凝固后与基体金属冶金焊合，然后逐层累积成型出三维实体。SLM是选择性激光熔化，也就是在零件制造的过程中用激光熔化二维截面形状内的粉末。SLM不像SLS技术需要黏结剂可以直接成型，成形材料主要是金属及合金，如不锈钢、铝合金、钛合金等，成型后零件的精度和力学性能都要比SLS成型的好，因此可以直接打印汽车零件。
激光选区光固化技术（Stereo lithography apparatus，SLA）原理为光谱中能量最高的紫外光产生的活化能，能够使不饱和聚酯树脂的C-C键断裂，产生自由基从而使树脂固化。当不饱和聚酯树脂中加入光敏剂后，用紫外线或可见光作能源引发，能使树脂很快发生交联反应。SLA是利用激光选择性地让需要成型的液态光敏树脂发生聚合反应变硬，通过不断层叠堆积和选区固化的过程实现复杂产品的成型。光固化成型尺寸大，可以应用于新产品开发的设计验证和模拟样品的试制;同时，光固化快速成型技术使用的树脂主要由碳、氢、氧等元素组成，在700 ℃以上的温度下，可以完全烧蚀，用SLA原型模代替熔模精密铸造中的蜡模，对于失蜡法制造精密铸造模型来说，这是一个非常有效的技术替代方式。
2 3D打印技术在农机制造领域的应用
2.1 3D打印技术在研发阶段应用
农业机械的作业对象包括农作物及其生长环境，如种子、作物、土壤、肥料、农药等。由于农作物种类繁多、形状各异、物理性质多变且易损伤，所以为满足各项作业的农业技术要求，农业机械的设计属于定制化制造，过程相当复杂。如果采用传统方法，需要完成产品设计、工艺设计、工装模具制造等多个环节，过程时间长，加工费用高，而且这些原型的制造非常麻烦，如果先开模具，然后再做出样品，则可能因为设计失误造成极大的经济损失。如果运用3D打印技术将产品的CAD模型快速地加工成实物模型，这样可以很方便地验证产品结构的合理性、可装配性和功能性，使研发人员及时发现设计的问题并进行修改。目前在农机零件设计研发阶段可以应用的3D打印技术包括FDM技术、SLA技术，FDM技术主要用于小型零件的制作，如楊洲等人采用熔融沉积设计并制造了全新外槽轮排肥器的排肥轮;SLA技术则主要用于大型零部件的制作，如华南农业大学罗锡文院士团队采用SLA技术成型了播种机中的排种器和水田激光平地机中的控制盒等[2]。
2.2 3D打印技术在零件制造领域应用
随着SLM和SLS等技术的成熟，3D打印技术目前也开始应用于农机的零件制造，3D打印技术在零件制造领域包括直接零件制造和间接零件制造两个方面。直接零件制造多采用SLM技术制造形状复杂、曲面较多的零件，如水轮机的叶轮、旋耕刀、开沟机的开沟装置、送料螺旋等。间接零件制造技术则首先通过SLA、SLS等3D打印技术制造产品的模型，然后以3D打印的零件模型为基础制造铸造模具，最后对铸造的零件进行简单的机加工获得最终的零件。对于农机的核心部件如农用水泵的叶轮等，可采用SLA 光固化技术，能在更少的时间内生产出结构复杂的母模，再通过快速熔模铸造等技术，可小批量生产叶片、叶轮、涡轮等复杂零件[3]。
3 3D打印技术在农机维修领域应用
大型农业机械的发动机齿轮、叶轮、阀门如果出现了腐蚀、磨损以致无法正常使用等情况，按照传统的修理方法难以快速有效的完成修复，就不得不更换整套零件，会造成大量的成本浪费问题。将3D打印技术和逆向工程技术相结合，对损坏零件进行重新快速制造就可以解决上述问题。首先，通过实物扫描的方式进行建模，即通过数字化扫描设备对实物进行拍照式扫描、激光扫描或机械接触式扫描;然后，对损坏零件的破损面进行修补并以此获得完整的三维数字模型，再采用SLM技术进行零件直接制造，或者采用3D打印技术和熔模铸造相结合的方法加工新的零件。如陆广华等人采用逆向工程技术和3D打印技术相结合的方法，对插秧机摇臂支架完成了高效的修复[4]。
4 结论
3D打印技术改变了传统的设计流程和制造流程，可以将研究中农机零件的三维实体设计更容易地转换为实物，缩短样机试制周期，提高研究阶段效率;同时，3D打印技术的应用也可以快速实现田间试验零件性能，实现短时间改进、制造、替换的实验要求，为快速地更改技术细节提供技术保障，提高了生产效率。因此，3D打印技术能够最大程度地满足细分化、差异化的市场需求，帮助农业机械制造者根据具体需求，制造模块化的农业机械零件，有针对性地提高农业生产效率，3D打印技术在农机领域未来应用前景广阔。
参考文献：
[1] 宋彬. 3D打印技术在汽车工业发展中的应用[J].汽车零部件，2018（2）：22-24.
[2] 孙健峰. 增材制造技术在农业机械制造中的应用[J].江苏农业科学，2016，44（6）：408-411.
[3] 俞超. 简析3D 打印技术在农机研发过程中的应用[J].农机化研究，2019（4）：38.
[4] 陆广华. 插秧机摇臂支架的逆向建模及3D打印[J].2019，35（9）：51-52.
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