農業機械制造中增材制造技術的應用范文

本站小編為你精心準備了農業機械制造中增材制造技術的應用參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：

介紹目前增材制造技術的研究現狀和基本原理，分析我國農機研發的特點，闡述光固化成型技術、選區激光燒結技術、直接金屬激光燒結技術、熔融沉積技術在農業機械制造中的應用。采用熔融沉積技術制備全新外槽輪排肥器，搭建基于電子施肥控制器控制的施肥試驗平臺。試驗數據表明，基于熔融沉積的外槽輪排肥器的變異系數低于傳統排肥器。增材制造技術將改變傳統農業機械設計的流程和思路，提高農業機械的可靠性和服役時間，促進農業機械制造水平的提高。

關鍵詞：

增材制造；3D打印；農業機械；應用

增材制造是以三維數據為基礎，由CAD模型驅動的一種制造方法，其特點是采用“加法”成型，通過先離散后疊加的思想成型零件［1］。隨著科學技術的發展及《中國制造2025》的提出，采用增材制造方法成型零件越來越受到人們的關注［2］。增材制造技術生產柔性大，加工響應時間短，單件小批量生產中無需開模，設計制造一體化集成度高，可直接成型零件，成型中不受傳統加工方法中夾持、切削方式的約束，可加工高脆性、高熔點、高硬度的材料，《經濟學人》雜志認為，該技術將引起第3次工業革命。目前，增材制造技術已被廣泛應用于航空航天、汽車、醫療、模具、建筑等行業［3－4］。

1增材制造技術的研究現狀

美國于2012年啟動并投資10億美元資助包括增材制造在內的振興美國制造計劃，建立了ASTMF2792－12a［5］、ASTMF2915－12［6］、ASTMF2912－11［7］、ASTMF2924－12a［8］等一系列增材制造技術標準。英國于2011年開始增加增材制造研發經費的投入，并在拉夫堡大學、諾丁漢大學、謝菲爾德大學、埃克塞特大學、曼徹斯特大學等相繼建立了增材制造研究中心。澳大利亞于2012年2月啟動了“微型發動機增材制造技術”項目，該項目使用增材制造技術制造航空微型發動機零部件，對增材制造技術在航空航天的應用起到推動作用。日本通過優惠政策和大量資金鼓勵產學研用緊密結合，促進增材制造技術在日本的發展［4］。我國于2012年成立了3D打印技術聯盟（增材制造），于2015年成立了中國工程學會增材制造（3D打印）分會，參與的主要科研機構有清華大學、北京航空航天大學、華中科技大學、華南理工大學、西北工業大學、西安交通大學等。3D打印產業聯盟和增材制造分會的成立有利于盡快建立行業標準，加強行業與行業、行業與政府以及國際間的廣泛交流［4］。

2增材制造的基本原理

增材制造是將三維零件先離散后堆積的一種加工方法，其成型過程主要是通過被加工材料受到外界不同環境的影響（如受熱、受光）而發生物理或化學變化來實現的［9－11］，制造過程如下：

（1）設計（三維制圖軟件）或通過逆向工程（三維掃描）等獲得所要加工產品的計算機三維模型。

（2）根據工藝要求，將所建立的模型按一定規律在計算機中離散化，該過程也叫切片或分層，將原來的三維數據轉換為平面數據。

（3）將離散后的平面數據按一定規律進行累加成型，獲得實體零件。其原理見圖1。

3農業機械研發的特點

3．1農業機械特點由于農用機械受作物生長條件的約束，所有農業機械均須進行田間試驗驗證。種植機械、植保機械、收獲機械均受到田間試驗季節的影響，每年的試驗時間是固定的，錯過試驗時間只能等待下一年，因此農業機械的研究周期較長。農業機械還受到作業過程中因素差異的影響，我國幅員遼闊，每個省的農作物和農藝均有明顯差別，同一作物在不同區域的農藝也不完全相同，使得農業機械研發具有種類繁多、通用性差、研發面廣、研發成本高等特點［12］。

3．2農作物特點與工業相比，農業作物有其自身的特點。農業作物的研究對象多為生物，種類繁多、個體差異明顯、性能差異大、物料規律性不強，多數生物受外界條件影響較大，不同降水量、施肥量可使同一作物在不同收獲年表現出差異。以柑橘為例，古語有“南橘北枳”的說法。

3．3農業機械市場特點中國農業機械市場已經成為中國機械行業的熱點市場，農業已成為高回報率產業。從歐美、日韓等農業發達國家引進的農機不能完全適應我國農業的需要，這些差異導致農機研制具有復雜性和周期性［13］。目前，農業、農機的投資一直是資本市場中投資的熱點，但國內的農機企業高端技術研發能力較弱，國際農機巨頭相繼在中國設廠，爭相占領中國市場，導致我國農機市場的高端領域被國外農機行業占領；中低端領域，尤其是低端領域的小農機企業較多，惡性競爭嚴重，一味追求價格低廉導致產品質量不過關、農機使用服役時間短、市場認可度低。盡快提高農機的使用穩定性和服役時間、盡快爭奪高端農機市場已成為亟待解決的問題［14－15］。

4典型增材制造技術在農機制造中的應用

4．1光固化成型技術光固化成型是由CharlesW．Hull于1984年獲得的美國專利，1998年美國3DSystem公司推出SLA－250商品產品，是目前最成熟的增材制造技術之一。光固化成型技術可獲得形狀復雜、表面質量較好的零件［16－18］。光固化成型工藝的原理見圖2，在紫外激光束控制單元的驅動下，將零件的各分層信息在光敏樹脂表面加工，被掃描區域的光敏樹脂材料因紫外光照射發生聚合反應而固化，形成零件的1個切片層；一層固化后，工作臺向下移動1個層厚的距離，新一層的液態樹脂填充加工表面，采用刮板將液面刮平，進行下一層的掃描加工，如此反復直到整個零件制造完成［18］。由于SLA設備昂貴，光敏樹脂價格較高，國產價格約為1000元／kg，導致SLA技術在農業機械中的應用不廣泛，僅少數科研單位采用SLA技術設計、制造全新農業機械部件并進行相關田間試驗，如華南農業大學羅錫文院士團隊采用SLA技術成型播種機中的排種器和水田激光平地機中的控制盒等。

4．2選區激光燒結技術選區激光燒結技術由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的CarlDeckard于1989年申請專利，并于1992年由DTM公司開發了首款商業設備［19－20］。SLS最大的特點是可以成型金屬零件，成型材料采用的是外表包裹聚合物的金屬粉末。SLS原理見圖3，粉末首先被均勻置于成型平臺上，激光通過掃描振鏡按照切片層數據將加工區域內的粉末加熱，粉末因聚合物受熱而粘結在一起；單層加工完成后，成型臺下降1個層厚，鋪粉機構將新的粉末重新預置于加工區域之上，激光再次開始加工，重復以上過程直至零件加工完成。成型后的零件須置于高溫保溫爐中進行保溫，將聚合物黏合劑熔化。目前該技術在模具行業應用廣泛，選用型砂進行激光燒結，完成砂型鑄造，制備模具。選區激光燒結在農機方面有較多應用，如濾水器中的過濾器。過濾器由5層絲網組成，分別是保護層、過濾控制層、分散層、支撐骨架層、骨架層，每層均由多個尺寸較小的孔洞組成。由于受到加工路徑和刀具尺寸的約束，采用傳統成型方法很難成型，而采用SLS技術可十分方便地成型多孔濾網。

4．3直接金屬激光燒結技術直接金屬激光燒結技術由RPI和德國EOS公司的GmbH于1994年共同研發，是首個商業化的直接生產金屬零件的成型方法［21］。直接金屬激光燒結技術的原理見圖4，與SLS十分相似，DMLS多采用兩缸結構。與SLS相比，DMLS選用的金屬粉末尺寸更小（一般直徑為20μm），粉末無需黏結劑或助熔劑，無需后續加熱和滲透處理，鋪粉厚度更薄，成型零件形狀更加復雜，獲得成型零件的致密度更高（一般致密度高于95％）。目前可成型材料主要有合金鋼、不銹鋼、工具鋼、鋁、青銅、鈷鉻、鈦等，主要應用領域有快速模具、醫療植入物、高溫應用、航空航天零部件［19］。目前，DMLS在農業上主要應用于形狀復雜、曲面較多的零件，如旋耕刀、水泵葉輪機、送料螺旋等。隨著農業航空植保技術在農業中的應用不斷增加，農業航空中無人機的關鍵部件對于輕量化的極限需求與日俱增，這將為DMLS在農業航空提供新的研究領域。

4．4熔融沉積成型技術熔融沉積成型是由美國Stratasys公司開發的繼光固化成型工藝后另一種被廣泛應用的成型方法［22－23］。其原理見圖5，將絲狀的熱熔性材料加熱熔化，通過微細噴嘴將熔融絲擠出，噴嘴按照控制單元指令相對工作臺沿水平方向移動，熔融絲擠出溫度略高于固化溫度，以保證熱熔材料的黏結性，與前一層熔結在一起。一層成型后，工作臺按設定值下降1個層厚，繼續熔噴沉積，直至整個實體完成。目前，新的熔融沉積采用雙噴頭或多噴頭，雙噴頭是將支撐與實體分開成型，可分別控制支撐和實體的成型參數。熔融沉積是目前成本最低廉、應用最廣泛的增材制造方法，主要用于辦公用品、模具開發、醫學植入體、醫療器械、建筑等三維實體制造［24］。華南農業大學楊洲團隊采用熔融沉積設計并制造了全新外槽輪排肥器的排肥輪（圖6）。圖6中紅色部分為采用熔融沉積成型的外槽輪排肥器的外槽輪及其聯軸器，米白色部分為目前市場上通用的外槽輪。楊洲團隊通過步進電機控制每個外槽輪，并對2種外槽輪的排肥量進行了對比研究。試驗選用華南農業大學自行搭建的排肥檢測平臺（圖7），采用電子施肥控制器控制直流電機轉速，采用HX－T型電子天平測量排肥質量，以外槽輪旋轉10圈為1個指標，連續測量5次，試驗數據見表1。數據表明，采用增材制造的外槽輪排肥器變異系數更小，設備更加穩定可靠。

5增材制造技術應用于農機機械制造的前景

發展增材制造技術可為農機發展開拓設計思路，減少無用功的消耗。增材制造技術目前已被應用于多個行業，在農業機械制造中的應用也勢在必行。傳統的農機設計流程復雜，包括確定設計目標和方案、設計樣機、田間試驗、優化設計、完成開發。傳統農機設計中首先要考慮加工，在能夠實現加工的基礎上進行設計，導致在理論中最省功的仿生（仿形）設計無法在實際生產中實現。增材制造最大的優勢在于突破傳統設計思路，采用層層疊加的方式，加工過程中幾乎不考慮走刀路線等加工約束，特別適于加工形狀復雜的空間漸變曲線、仿生（仿形）結構。采用增材制造可為農機設計提供新的思路，將有更多的仿生（仿形）結構得以應用，大幅減少農機的功耗損失。發展增材制造技術可縮短農業機械試制周期，減少成本投入。農業機械與其他機械最大的區別在于農機需要田間試驗，而田間試驗又受到作物生長周期的限制，因此樣機試驗效果的反饋成為縮短農機研發周期的瓶頸，許多農機需用幾年時間完成田間試驗。增材制造技術最大的優勢在于田間試驗效果的快速反饋，小尺寸關鍵部件的成型時間一般為1～2d，自動化程度高，幾乎不需要人為操作，成型單件成品時間遠遠少于傳統加工。相同時間內可反復多次進行田間試驗及設計修改，提高了優化效率，縮短了農機的試制周期，使田間試驗與設計修改結合得更為緊密，效率更高，減少了產品的市場響應時間和研發成本。發展增材制造技術可提高農機制造水平，增加農機設備的可靠性。農機多采用傳統的車鉗銑刨磨進行加工，制造成本低，精度和穩定性差，雖然國家每年都有農機補貼，但農機使用壽命過短造成了資源的極大浪費。增材制造屬于先進制造技術，將數控機床與計算機相結合，加工精度和自動化程度高，成型過程中受外界干擾條件少，成型零件性能穩定可靠，是《中國制造2025》重點發展方向之一。采用增材制造技術將大幅提高我國農機制造行業的制造水平，增加農機裝備的可靠性，提升我國農業機械制造行業的競爭力。

參考文獻：

［1］閔杰，李佳師．3D打印帶動變革國內應用尚未起步［N］．中國電子，2012－07－24（1）．

［2］方林宏，樊軍，江莉．逆向工程和快速成型技術在農具生產中的應用［J］．農機化研究，2007，9（9）：189－191．

［3］張云霞．激光加工技術在農業機械制造中的應用［J］．農技服務，2009，26（3）：145－146．

［4］黃永俊．激光技術在農業機械制造中的應用［J］．農機化研究，2008，6（6）：242－244．

［5］裴進靈．基于3D打印的農業機械研發及應用［J］．當代農機，2014，8（8）：73－74，75．

［6］孫健峰．激光選區熔化Ti6Al4V可控多孔結構制備及機理研究［D］．廣州：華南理工大學，2013

［7］王廣春，趙國群．快速成型與快速模具制造技術及其應用［M］．北京：機械工業出版社，2008：12－95．

［8］劉杰．面向快速成型的設備控制、工藝優化及成型仿真研究［D］．廣州：華南理工大學，2012．

［19］李國強，沈晴籦，高建華，等．選擇性激光熔覆技術與鑄造法制作全冠適合性的比較研究［J］．中華口腔醫學雜志，2012，47（7）：427－430．

作者：孫健峰 朱卿創 楊洲 黃忠奎 單位：華南農業大學工程學院