3D打印技术在农机制造中的应用研究

3D打印技术，是一种先进的制造技术。国内实力型农机制造业应抓住国家支持新质生产力发展的机遇，积极引入3D打印技术，促进农机制造业在转型发展中提质增效，提高核心竞争力。

一、什么是3D打印技术

3D打印技术（3D printing technology），也被称为增材制造（Additive Manufacturing），是一种先进的制造技术，它通过将数字模型转化为实体物体的方式来工作。这项技术自问世以来，已经在多个领域展现了广泛的应用前景和变革力量。

1、3D打印的基本工作原理可以分为以下几个步骤：

1）创建或获取3D模型。首先需要使用计算机辅助设计（CAD）软件来创建或获取3D模型。这个模型是由连续的数据点或网格构成的，描述了所需物体的形状和结构。

2）切片。将3D模型分解为一系列的横截面，形成多个薄片状的层级结构。这个过程是为了指导打印机如何逐层堆积材料。

3）打印准备。根据切片数据生成一系列的指令，这些指令将由3D打印机执行。这些指令包括控制打印机的运动，调整喷头或喷嘴温度等参数。

4）打印过程。根据指令，3D打印机逐层地将材料（如塑料、金属、陶瓷等）加热或喷出，以精确的方式堆叠或喷涂在底座上，创建物体的形状。

5）精细化处理。在打印完成后，可能需要进行后续的处理，如修整表面、去除支撑结构或进行其他的加工工作。

2、3D打印技术优势

1）自由度高。3D打印可以制造复杂形状和结构的物体，无需传统制造方法中需要的切削、成型等复杂工艺。

2）客制化生产。通过3D打印，可以根据用户的需求和个性化要求定制物品，满足不同的需求。

3）原型制作。3D打印技术可以快速制作出产品的原型和样品，便于进行设计验证和市场测试。

4）减少浪费和节约成本。与传统制造方法相比，3D打印技术可以减少材料的浪费和节约生产成本。

5）制造复杂结构。3D打印技术可以制造具有复杂内部结构的物体，如蜂窝状结构、空隙和内嵌通道等。

3、3D打印与传统打印技术的区别

1）维度。传统打印是一种二维的打印技术，通过喷墨或激光打印机将图像或文档打印在纸张上。而3D打印则是一种增材制造技术，可以创建具有三维形状和结构的实体物体。

2）材料和工艺。传统打印使用墨水或颜料在纸张或其他平面材料上进行印刷。而3D打印使用各种材料，如塑料、金属、陶瓷等，通过逐层堆叠或喷涂的方式制造物体。

3）制作方式。传统打印只需要将设计好的图像或文档放入打印机，然后进行打印操作即可。而3D打印需要先通过计算机辅助设计软件创建或获取一个三维模型，然后将其转化为适合3D打印机的格式，并进行切片等预处理步骤。

4）自定义与灵活性。传统打印主要用于打印纸张上的图像、文档或照片等，具有较为固定的输出格式和尺寸。而3D打印可以根据用户的需求和设计，制造出具有定制化的、具有复杂形状的物体。其灵活性和自定义性更高。

5）应用领域。传统打印主要应用于文档、书籍、海报、名片等印刷品的制作。而3D打印已经应用于多个领域。

综上所述，3D打印技术是一种革命性的制造技术，它不仅改变了传统的制造方式，还在多个领域带来了创新和变革。随着技术的不断进步和完善，3D打印将继续拓展其应用范围并深化其在各行业中的影响。

二、3D打印技术在农机制造中的应用

1、设计与制造复杂农机零部件

3D打印技术在农机制造中的一个显著应用，是复杂农机零部件的3D打印工艺设计与制造。这包括传统方法难以制造的精密播种机配件和复杂喷头。在拖拉机制造中涉及结构复杂的部件，如发动机机体、缸盖、曲轴，传动部件如变速箱体、前桥等，用传统的铸、锻方式，后续加工工艺复杂，耗费巨大，用时漫长，且成品率极低。而改用3D打印技术，完全克服了铸、锻缺陷，成品率成倍提高，生产周期大大缩短，产品质量和效率全面提高。

2、 快速原型制作

3D打印技术可以快速制作设计模型，使得农业机械的设计方案可以直观地进行结构方案比较，并可以进行多角度的技术分析。这种方法大大缩短了产品开发周期，提高了研发效率。

3、现场维修与修复

3D打印技术还适用于农机的现场维修与修复。通过3D打印修复技术，可以修复农机的缺陷零部件，减少机具停机时间，降低维修成本。此外，3D打印修复材料性能的研究也在进行中，旨在找到最适合修复应用的材料。

4、定制化与模块化生产

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。它可以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。同时，也可以帮助农产品生产者根据消费者需求，在产品外形、包装等方面，打造有品牌特点的农产品。

5、教育与培训

3D打印技术还被应用于农业领域的教育和培训中。通过建立3D打印创新教育实验室和体验中心，可以进行3D打印技术的相关教育课程和培训，激发学生的内在个性和兴趣，提高学生的综合素质。

综上所述，3D打印技术在农机制造中的应用广泛且深入，不仅改变了传统的设计流程和制作工序，还提高了产品研发效率和产品质量，降低了生产成本。未来，3D打印技术有望在农业机械化进程中发挥更大的作用。

三、3D打印技术在农机制造中的应用典例

1、提升农机研发能力

选择性激光烧结(SLS) 技术在农机研发中的应用是一个典型的例子。这项技术可以将三维造型按照设计的层高进行切片，然后通过激光束对截面轮廓进行激光扫描，使粉末颗粒产生热效应而粘结，从而完成一层层的激光烧结，最终形成铸件模型。这种方法可以极大地提高研发效率，降低成本。选择性激光烧结（SLS）技术是一种增材制造技术，广泛应用于各个领域，尤其是在农机研发中展现了其独特的优势。

1）SLS技术在农机研发中的具体应用和优势：

快速原型制作。SLS技术可以快速将设计理念转化为实体模型，帮助研发团队在早期阶段验证设计的可行性和功能性。

设计迭代。通过快速制作和测试不同的设计方案，研发团队可以迅速优化设计，缩短产品开发周期。

复杂结构制造。SLS技术能够制造具有复杂内部结构和精细细节的农机部件，这些部件在传统制造方法下可能难以实现或成本高昂。

轻量化设计。通过拓扑优化等设计手段，SLS技术可以制造出重量轻但强度高的农机部件，有助于提高农机的燃油效率和操作性能。

小批量灵活生产。SLS技术适合小批量定制化生产，能够满足农机市场的多样化需求，减少库存压力。

成本效益。对于小批量生产而言，SLS技术减少了模具和工具的投入，降低了生产成本。

2）实际应用

拖拉机零部件制造。通过SLS技术制造散热器支架，不仅减轻了重量，还提高了散热效果，延长了散热器的使用寿命。采用SLS技术制造的发动机盖，具备良好的耐高温和抗冲击性能，同时减少了装配环节，降低了生产成本。通过SLS技术制造的切割刀具，具有更高的硬度和耐磨性，延长了刀具的使用寿命，提高了收割效率。SLS技术可以制造出具有复杂齿形的传动齿轮，提高了齿轮的传动效率和耐用性。

选择性激光烧结（SLS）技术应用于农机研发中，不仅提高了研发效率，降低了成本，还推动了农机产品的创新和质量提升。随着技术的不断发展和完善，SLS技术将在农机领域发挥更加重要的作用，助力农机行业的智能化和高效化发展。

2、促进农机产品多元化发展

光固化(SLA) 成型技术也是一种广泛应用的3D打印技术。它使用的材料是液态光敏树脂，通过激光扫描使树脂表面产生光聚合反应而固化形成薄层。这种方法可以生产出结构复杂、尺寸精细的零件，适用于农业机械的核心部件制造。

1）光固化成型技术的详细介绍

光固化成型技术使用液态光敏树脂作为材料，通过激光扫描使树脂表面产生光聚合反应而固化形成薄层。这一过程逐层进行，最终形成完整的三维零件。

光固化成型技术可以生产出结构复杂、尺寸精细的零件，因此在以下几个领域有广泛应用：

复杂零件生产。通过快速熔模铸造、快速翻砂铸造等辅助技术进行特殊复杂零件（如涡轮、叶片、叶轮等）的单件、小批量生产，并进行发动机等部件的试制和试验。

在汽车制造方面，产品多型号、短周期。为了满足不同的生产需求，需要不断地改型。光固化成型技术可以制作零件原型，以验证设计人员的设计思想，并利用零件原型做功能性和装配性检验。

发动机试验研究。可用于发动机冷却系统、进排气管等的研究。车身设计和零件制作。结合逆向工程技术、快速模具制造技术，用于汽车车身设计、前后保险杠总成试制、内饰门板等功能样件试制、赛车零件制作等。

在电子产品上，用于概念设计的交流、单件小批量精密铸造、产品模型、快速工模具及直接面向产品的模具等。

2）光固化(SLA) 成型技术优缺点

优点方面，成型过程自动化程度高光固化成型技术具有成型过程自动化程度高、制作原型表面质量好、尺寸精度高等特点。适合复杂结构。能够实现比较精细的尺寸成型，适用于结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具。

缺点方面，SLA系统造价高昂，使用和维护成本过高。工作环境要求高。SLA系统是要对液体进行操作的精密设备，对工作环境要求苛刻。成型件性能有限，成型件多为树脂类，强度、刚度、耐热性有限，不利于长时间保存。软件操作复杂。预处理软件与驱动软件运算量大，与加工效果关联性太高；软件系统操作复杂，入门困难。

光固化成型技术在未来将继续发展，特别是在提高材料性能、降低成本、扩大应用领域等方面。随着技术的进步，光固化成型技术将在更多行业中发挥重要作用。

3、提升农业机械维修效率

直接金属激光烧结(DMLS) 技术可以用于修复农业机械的零部件。对于那些因腐蚀或磨损而无法使用的贵重零部件，可以使用这种技术进行修复，从而避免更换整套零件所造成的资源浪费。

4、改变农业机械研发传统流程

3D打印技术还可以改变传统的农业机械研发流程。在样机设计阶段，设计师不再需要过多考虑生产工艺问题，因为3D打印技术可以无需模具就能短时间内制造出复杂件。

5、解决农业机械技术与成本难题

3D打印技术可以帮助解决农业机械研发中遇到的技术和成本难题。例如，它可以在不增加成本的情况下打印形状复杂的零件，这对于有复杂结构的农业机械来说是一个重大优势。

6、液压件制造领域的创新

意大利的aidrohydraulics公司就是一个推动3D打印技术在农业机械行业中应用的例子。该公司推出的金属3D打印液压阀体产品，其内部通道的圆形弯曲形状与传统歧管中的尖锐弯角相比，能够减少湍流，提高液压产品的性能。

综上所述，3D打印技术在农机制造中的应用涵盖了从提升研发能力、促进产品多元化发展、提高维修效率到改变传统研发流程和解决技术成本难题等多个方面，展现了其在农机制造领域的广阔应用前景。

四、农机制造业3D打印技术应用存在问题

尽管3D打印技术在农机制造业中的应用带来了许多好处，但仍然面临一些挑战和问题：

1、关键原材料依赖进口

虽然中国在增材制造原料方面已取得一定的进展，但关键原材料的批次稳定性差，依赖进口，且受国际政治因素影响较大。

供应链和批次稳定性问题，中国在增材制造原材料领域的进口还受到了国际政治因素的影响。例如，美国政府曾将增减材混合增材制造技术纳入出口管制清单，这对中国的增材制造产业构成了挑战。因此，中国需要加强自主研发，减少对外国技术和原材料的依赖，以降低国际政治因素带来的风险。

尽管中国在增材制造领域取得了显著成就，但在关键原材料方面仍面临依赖进口和国际政治因素影响的问题。为了保障产业链的安全和稳定，中国需要进一步加强自主研发能力，提高原材料的自给率，同时优化供应链管理，确保原材料的稳定供应。这样才能在全球竞争中保持优势地位。

2、系统性应用研究不足

国内在增材制造的应用研究方面较为滞后，尤其是在大型零件制造、成形工艺、应用成本等方面存在限制。尽管国内在增材制造的应用研究方面存在一些滞后，但近年来，我国在增材制造技术的研发和产业发展上已经取得了一定的成就。中国的增材制造技术研究始于上世纪90年代末，随着经济的快速发展，这项技术在中国得到了大力的支持，形成了以材料、设备、技术和应用为主要内容的研究体系。此外，中国已经成为世界增材制造技术设备生产大国，占据了全球增材制造设备市场份额的15%，并且在增材制造材料领域，主要包括塑料、金属粉末、陶瓷、高分子材料等也有显著的发展。

3、应用领域的扩展问题

增材制造技术已经在多个领域得到了广泛应用。在航空航天领域，它可以制造出更加复杂、轻量化的零部件，替代传统制造工艺，提升飞机性能。在医疗领域，增材制造技术可以用于制造定制化的医疗植入物，如修复体制作、诊疗辅助器具制作、个性化矫正器具等。在汽车领域，增材制造被用于概念车开发、零部件创新、生产线上的工装夹具、内饰创新、研发试制等方面。

尽管增材制造技术带来了许多优势，但在大型零件制造、成形工艺以及应用成本等方面仍面临一些限制。大型零件的制造一直是增材制造技术的挑战之一，尤其是在确保精度和结构强度方面。成形工艺的优化也是影响增材制造产品质量的关键因素。此外，尽管随着技术的发展，增材制造的成本正在逐渐降低，但仍高于传统的制造方法，特别是在大规模生产时。

4、设备和技术落后

国内自主研发的粉末制备设备技术落后，价格高昂，无法满足大规模生产的需要。对于激光增材制造成形材料的组织和缺陷的研究不足，影响了材料的综合力学性能评估和使用。

中国增材制造行业虽然发展迅速，但在国际市场上的竞争力相对较弱，特别是在高端领域的技术和市场份额争夺中面临压力。

综上所述，3D打印技术在农机制造业中的应用前景广阔，但要充分发挥其潜力，还需解决原材料依赖进口、技术创新能力不足等问题。随着技术的不断进步和国家政策的持续支持，这些问题有望得到逐步解决。

五、加速3D打印技术在农机制造中应用的若干建议

3D打印技术作为一种革命性的制造技术，已经在各个领域展现出巨大的潜力和应用价值。特别是在农机制造领域，3D打印技术的应用带来了设计创新、生产效率提升以及成本降低等一系列好处。为了进一步加速3D打印技术在农机制造中的应用，本文提出以下几点建议。

1、设计创新与流程优化

3D打印技术能够突破传统制造能力的限制，开辟巨大的设计研发空间。因此，建议农机制造企业鼓励设计团队利用3D打印技术进行创新设计，激发设计者的创造性思维，推动产品设计的创新。

2、优化研发流程

3D打印技术可以改变传统的农业机械研发流程，如直接打印设计模型进行结构方案比较、样机设计时不必考虑生产工艺问题等。建议企业采用3D打印技术优化研发流程，缩短产品开发周期。

3、提高生产效率

3D打印技术可以提高研究阶段效率、缩短样机试制周期、快速改进和制造故障零件。建议企业在农机制造中广泛应用3D打印技术，以提高生产效率。建议政府设立专项基金，支持农机3D打印的研发项目和企业转型。对于采用3D打印技术的企业给予税收减免、补贴等优惠政策，降低企业初期投入的风险。推动建立农机3D打印行业的标准体系，确保产品质量和技术规范。这有助于提升国内农机产品的国际竞争力，同时也保护消费者的权益。

4、控制成本

3D打印技术可以帮助企业降低制造成本，尤其是在研发阶段需要生产大量一次性样品的情况下。建议企业采用3D打印技术进行成本效益分析，以实现成本的最优化。

5、技术培训与知识普及

为了更好地发挥3D打印技术的优势，建议企业加强对员工的技能培训，提高他们对3D打印技术的理解和操作能力。加强与高校、职业院校的合作，开设3D打印技术相关的课程，培养专业的农机设计与制造人才。同时，开展在职培训和技术交流活动，提高农机制造企业的技术水平。

通过建立3D打印体验馆、举办技术比赛等形式，加强对社会各界的3D打印技术知识的普及，提高整个社会对3D打印技术的认识和接受度。

综上所述，通过鼓励设计创新、优化研发流程、提高生产效率、控制成本、加强技术培训和推广知识普及等措施，可以有效地加速3D打印技术在农机制造中的应用。这些措施的实施需要企业领导层的大力支持和全体员工的共同努力。我们相信，3D打印技术将在农机制造中发挥越来越重要的作用，为企业带来更大的经济效益和社会价值。