二级圆柱齿轮减速器设计及关键零部件的打印实现文献综述

前言

3D打印技术是一种快速成型技术，以3D数字模型为原型，通过逐层堆叠累积 的方式，将3D模型构建成为真实的物体。3D打印机的出现，为各行各业都带来了 新的发展机遇，甚至给人类的生产和生活带来一场彻底的革命。3D打印技术便于 解决个性化、复杂化、高难度的生产技术，而且与其他传统工业技术相比，其制造速度较快，已经在世界制造业产生了重大反响。然而，3D打印技术在目前阶段相较于传统制造方式仍有所不足。

主体

1 国内外3D打印技术的应用

3D打印技术近年来应用逐渐广泛，尤其近十年来，按需打印新商品的需求激增，民用产业中这类新商品可在工厂、零售商店打印完成，甚至可以使用家庭个人3D打印机制造完成。虽然相关技术依然处于起步阶段，但3D打印的发展相当迅速。国内外各行业对3D打印技术及相关产业都有了相当的研究成果。

1.1 影视制作行业

3D打印技术可以低成本生产一次性产品和小批量组件，尤其在影视产品制作行业。例如2012年007电影《天幕危机》中，制作人需要3台Aston Martin DB5的1/3大小的模型车，他们使用了型号为Voxeljet VX4000的3D打印设备将这三台模型车打印了出来，这些轿车模型被3D打印成18个部分，然后再进行组装喷漆，最后变成看起来非常真实的复制品，遗憾的是，这三台模型车最后在电影中被炸成碎片，虽然这也是它们被制造出来的原因^[1]。

另一个例子是一个叫做Klock Werks Kustom Cycles的摩托车定制制造商在一次电视节目中使用SolidWorks的3D模型程序包完成了一台定制摩托车的仪表盘、叉管盖、大灯挡板、脚踏板等部件的设计工作，最后用3D打印机打印出各个部分，而不是传统的铝制或在塑料中铸模完成^[2]。

1.2 医学行业

现在已有一些专门的3D打印机可以通过一层一层地剥离活体细胞层而形成活体组织，这种“生物打印机”可以培养患者自身的细胞，用3D打印技术形成可替代的皮肤或器官，这在改变某些医学领域方面有着巨大的潜力。五年之内，3D打印的人体组织可能会开始应用于药物测试，以减少动物实验的需求。

除了可以替代身体外部的人体组织，体内生物打印也已经在开发之中，3D打印非活体材料方面也取得了惊人的进展。医用级热塑性材料（如ABSi）已经存在，因此一些小件假体（如疝气网格或心脏瓣膜）可以在手术室外甚至室内进行3D打印，然后移植到病人体内。另一种可能是生物打印机将来可用于制造定制支架，使病人“自然”修复或重新长出损坏的身体部位。华盛顿州立大学苏斯米塔·博斯带领研究小组，耗费 4 年时间开发类骨骼物质。他们发现，在生物陶瓷粉主要成分磷酸钙中添加硅和氧化锌可以使其强度提升一倍。磷酸钙生物陶瓷材料是整形外科领域一类重要的骨修复材料，可模拟人的长入。研究人员使用一部先前用于打印金属材料的 3D 打印机制造类骨骼物质。它在粉末层上喷出塑料黏合剂，粉末层厚度仅为一根头发丝宽度的一半。这种类骨骼物质可被添加到受损自然骨上，当作支架材料，促使细胞和骨组织生长，而且这种类骨骼物质可最终降解，没有“明显负面效果”。数年后，医生可利用这一技术定做更换骨组织^[3]。

• 1. 汽车制造领域

参加2012年的世界赛车竞标赛的BMW MINI Countryman车队与站在汽车技术最前沿的Prodrive公司合作，车手显示屏是第一个真正使用3D打印技术生产的零件，这个显示屏实现了3D打印技术在赛车定制上的真正应用，因为显示屏中的电子器件必须与汽车完美融合成一体，同时要和其他系统保持连接，传统方法工作量大且容易出错，生产过程也非常复杂，3D打印技术设计并生产极大地减少了劳动量，节约了成本^[4]。自此之后，赛车领域内出现了大量3D打印技术的应用，例如从设计到装配上车只需要几天就可以完成一个符合空气动力学的微博传感器外壳；包括发动机的进气口、赛车顶部通气用的超薄变流片都可以用3D打印直接生产。

3D打印技术在民用汽车领域内同样在高速发展，目前包括奇瑞汽车、长安福特、东风汽车公司等我过汽车企业及其零部件配套生产企业在研发和制作缸体、缸盖、变速箱齿轮等产品的过程中也开始实用3D打印技术。

• 1. 微型机电制造领域

微型机电是指集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，甚至外围接口通讯电路和电源等于一体的微型器件或系统。其主要特点是体积小、重量轻、耗能低、性能稳定和技术含量高。在信息化时代的今天，微型机电已经使我们在认知和控制世界的方式上出现一次质的飞跃。作为现代机电技术的一个重要发展方向，微型机电在汽车、航空航天、信息通讯、生物化学、医疗、自动控制、国防等领域有着广阔的应用前景。

目前微型机电的加工方法主要有：光刻、光刻电铸、精密机械加工、精密放电加工、激光微加工等。这些制造方法要么只适合平面加工，难以加工出3维复杂结构；要么工艺步骤复杂、设备投资大、成本费用昂贵。若将需要成形的材料制成打印头可打印的悬浮液，利用基于分层制造原理的3DP快速成形技术能够较容易地成形出复杂三维结构的微器件。如L.Setti等曾运用3DP快速成形原理，用具有生物和电子功能的水基溶液制造出生物传感器。若安装多个打印头同时打印多种成形材料，则3DP快速成形技术还可制造出无需装配的具有多种材料、复杂形状的微型机电器件。随着3DP技术成形精度的不断提高,其必将在微机械、电子元器件、电子封装、传感器等微型机电制造领域有着广泛的应用前景^[5]。

• 1. 建筑领域

英国Loughborough大学一支团队开发出了一台可以从打印头输出水泥基砂浆的3D打印机，打印体积为2m*2.5m*5m。他们已经使用这台打印年纪制造出了重1吨的混凝土建筑，这体现了3D打印建筑物这项技术的可行性。Monolite UK公司的一位工程师开发出一款大型3D打印机，名为D-Shape，可以在无需人为干预的情况下打造出全尺寸的砂石建筑。其可以打印出面积在6m*6m内的任何建筑，打印最小层厚为5-10mm，最终成品需要24小时达到完全坚硬^[6]。

2 现阶段金属材料3D打印技术产品性能情况

近年来，在国内外都有大量有关3D打印技术的研究发展，3D打印技术在针对于金属材料、陶瓷材料、混凝土材料等特殊材料上也有了很大发展，目前3D打印技术可以不局限于树脂材料，得到了更广阔的发展。

针对SLM(选择性激光融化)快速成型不锈钢零件的组织及力学性能进行分析与研究发现，利用SLM设备制备的不锈钢金属立体，具有很高的塑性，与一般的奥氏体不锈钢相比其抗拉强度和屈服强度都较高，具有良好的拉伸性能；硬度值分布也相对均匀，其显微硬度也高于一般的奥氏体不锈钢。SLM成型金属件具有良好的组织特性及力学性能^[7]。

通过SLM技术成型的A356铝合金汽车轮毂显示出了同样优秀的性能，制作出的轮毂组织致密、均匀，具有较好的力学性能和耐磨性能；在不同温度下的抗拉强度、冲击吸收功和磨损体积的差异也都较小，轮毂力学性能和耐磨性能一致性好^[8]。

而另一项针对摩擦喷射电沉积快速成型金属铜零件的测试中，摩擦喷射电沉积成型出的金属铜零件硬度分布均匀，抗压性能良好，在力学性能上也好于工业用冷轧铜。在喷射沉积过程中加入硬质颗粒摩擦辅助装置，还可以快速成型形状良好、表面平整、颗粒细化的零件，有效降低了边缘效应^[9]，同样让制备复杂外形的零件成为了可能^[10]。

总 结

可以看出，3D打印技术在许多行业都得到了相当的发展和应用，近年来的发展让3D打印技术不仅仅局限于传统的树脂材料，更多可以以混凝土、金属等材料形式得以应用。同时，通过3D打印技术获得的产品在某些性能上相较于传统的制造技术获得的产品可以达到相应水平甚至更好。

3D打印让“天马行空”转化为“脚踏实地”的可能，正在全球范围内获得进步和发展，但这一技术依然处于相当初级的阶段。随着新技术、新材料、新设备的不断出现和发展，该技术将获得进一步的发展和壮大。

参考文献

[1][2][6]Christopher,B.3D printing:the next industrial revolution[M].韩颖,赵俐,译.北京,人民邮电出版社,2014.7.

[3]向顺禄,杨冬东,何可,黄长青,柏才敏. 3D打印技术在医学方面的应用及畜牧兽医领域的展望[J].兽医导刊,2013,9:72-74.

[4]王菊霞.3D打印技术在汽车制造与维修领域应用研究[D].吉林:吉林大学.2014.

[5]刘厚才,莫健华,刘海涛.三维打印快速成形技术及其应用[J].机械科学与技术,2008.27(9),1184-1190.

[7]陈光霞.SLM激光快速成型金属零件的组织及力学性能分析[J].机械制造技术,2010.5,63-66.

[8]曹辉,田睿.激光快速成型汽车铝合金轮毂的组织与性能研究[J].铸造技术,2015,36(1),210-212.

[9]杨成博.喷射电沉积法直接制备多孔泡沫镍的工艺技术和性能研究[D].南京:南京航空航天大学,2009.

[10]朱军,田宗军,刘志东,沈理达,黄因慧,王桂峰,陈斐.摩擦喷射电沉积快速成型金属铜零件的表面形貌与力学性能[J].机械工程材料,2011.35(9),35-38.

5．指导教师评语：

指导教师（签字）：

年 月 日