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摘要：

介紹目前增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀和基本原理，分析我國(guó)農(nóng)機(jī)研發(fā)的特點(diǎn)，闡述光固化成型技術(shù)、選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)、直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)、熔融沉積技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械制造中的應(yīng)用。采用熔融沉積技術(shù)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(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，基于熔融沉積的外槽輪排肥器的變異系數(shù)低于傳統(tǒng)排肥器。增材制造技術(shù)將改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的流程和思路，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的可靠性和服役時(shí)間，促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械制造水平的提高。

關(guān)鍵詞：

增材制造；3D打印；農(nóng)業(yè)機(jī)械；應(yīng)用

增材制造是以三維數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，由CAD模型驅(qū)動(dòng)的一種制造方法，其特點(diǎn)是采用“加法”成型，通過(guò)先離散后疊加的思想成型零件［1］。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及《中國(guó)制造2025》的提出，采用增材制造方法成型零件越來(lái)越受到人們的關(guān)注［2］。增材制造技術(shù)生產(chǎn)柔性大，加工響應(yīng)時(shí)間短，單件小批量生產(chǎn)中無(wú)需開(kāi)模，設(shè)計(jì)制造一體化集成度高，可直接成型零件，成型中不受傳統(tǒng)加工方法中夾持、切削方式的約束，可加工高脆性、高熔點(diǎn)、高硬度的材料，《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志認(rèn)為，該技術(shù)將引起第3次工業(yè)革命。目前，增材制造技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、醫(yī)療、模具、建筑等行業(yè)［3－4］。

1增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀

美國(guó)于2012年啟動(dòng)并投資10億美元資助包括增材制造在內(nèi)的振興美國(guó)制造計(jì)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)。英國(guó)于2011年開(kāi)始增加增材制造研發(fā)經(jīng)費(fèi)的投入，并在拉夫堡大學(xué)、諾丁漢大學(xué)、謝菲爾德大學(xué)、埃克塞特大學(xué)、曼徹斯特大學(xué)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(dòng)了“微型發(fā)動(dòng)機(jī)增材制造技術(shù)”項(xiàng)目，該項(xiàng)目使用增材制造技術(shù)制造航空微型發(fā)動(dòng)機(jī)零部件，對(duì)增材制造技術(shù)在航空航天的應(yīng)用起到推動(dòng)作用。日本通過(guò)優(yōu)惠政策和大量資金鼓勵(lì)產(chǎn)學(xué)研用緊密結(jié)合，促進(jìn)增材制造技術(shù)在日本的發(fā)展［4］。我國(guó)于2012年成立了3D打印技術(shù)聯(lián)盟（增材制造），于2015年成立了中國(guó)工程學(xué)會(huì)增材制造（3D打印）分會(huì)，參與的主要科研機(jī)構(gòu)有清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)、華南理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)等。3D打印產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和增材制造分會(huì)的成立有利于盡快建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)行業(yè)與行業(yè)、行業(yè)與政府以及國(guó)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(guò)程主要是通過(guò)被加工材料受到外界不同環(huán)境的影響（如受熱、受光）而發(fā)生物理或化學(xué)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的［9－11］，制造過(guò)程如下：

（1）設(shè)計(jì)（三維制圖軟件）或通過(guò)逆向工程（三維掃描）等獲得所要加工產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)三維模型。

（2）根據(jù)工藝要求，將所建立的模型按一定規(guī)律在計(jì)算機(jī)中離散化，該過(guò)程也叫切片或分層，將原來(lái)的三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為平面數(shù)據(jù)。

（3）將離散后的平面數(shù)據(jù)按一定規(guī)律進(jìn)行累加成型，獲得實(shí)體零件。其原理見(jiàn)圖1。

3農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)的特點(diǎn)

3．1農(nóng)業(yè)機(jī)械特點(diǎn)由于農(nóng)用機(jī)械受作物生長(zhǎng)條件的約束，所有農(nóng)業(yè)機(jī)械均須進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證。種植機(jī)械、植保機(jī)械、收獲機(jī)械均受到田間試驗(yàn)季節(jié)的影響，每年的試驗(yàn)時(shí)間是固定的，錯(cuò)過(guò)試驗(yàn)時(shí)間只能等待下一年，因此農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究周期較長(zhǎng)。農(nóng)業(yè)機(jī)械還受到作業(yè)過(guò)程中因素差異的影響，我國(guó)幅員遼闊，每個(gè)省的農(nóng)作物和農(nóng)藝均有明顯差別，同一作物在不同區(qū)域的農(nóng)藝也不完全相同，使得農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)具有種類(lèi)繁多、通用性差、研發(fā)面廣、研發(fā)成本高等特點(diǎn)［12］。

3．2農(nóng)作物特點(diǎn)與工業(yè)相比，農(nóng)業(yè)作物有其自身的特點(diǎn)。農(nóng)業(yè)作物的研究對(duì)象多為生物，種類(lèi)繁多、個(gè)體差異明顯、性能差異大、物料規(guī)律性不強(qiáng)，多數(shù)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(xiàn)出差異。以柑橘為例，古語(yǔ)有“南橘北枳”的說(shuō)法。

3．3農(nóng)業(yè)機(jī)械市場(chǎng)特點(diǎn)中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械市場(chǎng)已經(jīng)成為中國(guó)機(jī)械行業(yè)的熱點(diǎn)市場(chǎng)，農(nóng)業(yè)已成為高回報(bào)率產(chǎn)業(yè)。從歐美、日韓等農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)的農(nóng)機(jī)不能完全適應(yīng)我國(guó)農(nóng)業(yè)的需要，這些差異導(dǎo)致農(nóng)機(jī)研制具有復(fù)雜性和周期性［13］。目前，農(nóng)業(yè)、農(nóng)機(jī)的投資一直是資本市場(chǎng)中投資的熱點(diǎn)，但國(guó)內(nèi)的農(nóng)機(jī)企業(yè)高端技術(shù)研發(fā)能力較弱，國(guó)際農(nóng)機(jī)巨頭相繼在中國(guó)設(shè)廠，爭(zhēng)相占領(lǐng)中國(guó)市場(chǎng)，導(dǎo)致我國(guó)農(nóng)機(jī)市場(chǎng)的高端領(lǐng)域被國(guó)外農(nóng)機(jī)行業(yè)占領(lǐng)；中低端領(lǐng)域，尤其是低端領(lǐng)域的小農(nóng)機(jī)企業(yè)較多，惡性競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)重，一味追求價(jià)格低廉導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不過(guò)關(guān)、農(nóng)機(jī)使用服役時(shí)間短、市場(chǎng)認(rèn)可度低。盡快提高農(nóng)機(jī)的使用穩(wěn)定性和服役時(shí)間、盡快爭(zhēng)奪高端農(nóng)機(jī)市場(chǎng)已成為亟待解決的問(wèn)題［14－15］。

4典型增材制造技術(shù)在農(nóng)機(jī)制造中的應(yīng)用

4．1光固化成型技術(shù)光固化成型是由CharlesW．Hull于1984年獲得的美國(guó)專(zhuān)利，1998年美國(guó)3DSystem公司推出SLA－250商品產(chǎn)品，是目前最成熟的增材制造技術(shù)之一。光固化成型技術(shù)可獲得形狀復(fù)雜、表面質(zhì)量較好的零件［16－18］。光固化成型工藝的原理見(jiàn)圖2，在紫外激光束控制單元的驅(qū)動(dòng)下，將零件的各分層信息在光敏樹(shù)脂表面加工，被掃描區(qū)域的光敏樹(shù)脂材料因紫外光照射發(fā)生聚合反應(yīng)而固化，形成零件的1個(gè)切片層；一層固化后，工作臺(tái)向下移動(dòng)1個(gè)層厚的距離，新一層的液態(tài)樹(shù)脂填充加工表面，采用刮板將液面刮平，進(jìn)行下一層的掃描加工，如此反復(fù)直到整個(gè)零件制造完成［18］。由于SLA設(shè)備昂貴，光敏樹(shù)脂價(jià)格較高，國(guó)產(chǎn)價(jià)格約為1000元／kg，導(dǎo)致SLA技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用不廣泛，僅少數(shù)科研單位采用SLA技術(shù)設(shè)計(jì)、制造全新農(nóng)業(yè)機(jī)械部件并進(jìn)行相關(guān)田間試驗(yàn)，如華南農(nóng)業(yè)大學(xué)羅錫文院士團(tuán)隊(duì)采用SLA技術(shù)成型播種機(jī)中的排種器和水田激光平地機(jī)中的控制盒等。

4．2選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)由美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的CarlDeckard于1989年申請(qǐng)專(zhuān)利，并于1992年由DTM公司開(kāi)發(fā)了首款商業(yè)設(shè)備［19－20］。SLS最大的特點(diǎn)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(jiàn)圖3，粉末首先被均勻置于成型平臺(tái)上，激光通過(guò)掃描振鏡按照切片層數(shù)據(jù)將加工區(qū)域內(nèi)的粉末加熱，粉末因聚合物受熱而粘結(jié)在一起；單層加工完成后，成型臺(tái)下降1個(gè)層厚，鋪粉機(jī)構(gòu)將新的粉末重新預(yù)置于加工區(qū)域之上，激光再次開(kāi)始加工，重復(fù)以上過(guò)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(jìn)行保溫，將聚合物黏合劑熔化。目前該技術(shù)在模具行業(yè)應(yīng)用廣泛，選用型砂進(jìn)行激光燒結(jié)，完成砂型鑄造，制備模具。選區(qū)激光燒結(jié)在農(nóng)機(jī)方面有較多應(yīng)用，如濾水器中的過(guò)濾器。過(guò)濾器由5層絲網(wǎng)組成，分別是保護(hù)層、過(guò)濾控制層、分散層、支撐骨架層、骨架層，每層均由多個(gè)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(tǒng)成型方法很難成型，而采用SLS技術(shù)可十分方便地成型多孔濾網(wǎng)。

4．3直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)由RPI和德國(guó)EOS公司的GmbH于1994年共同研發(fā)，是首個(gè)商業(yè)化的直接生產(chǎn)金屬零件的成型方法［21］。直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)的原理見(jiàn)圖4，與SLS十分相似，DMLS多采用兩缸結(jié)構(gòu)。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(wú)需黏結(jié)劑或助熔劑，無(wú)需后續(xù)加熱和滲透處理，鋪粉厚度更薄，成型零件形狀更加復(fù)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(yīng)用領(lǐng)域有快速模具、醫(yī)療植入物、高溫應(yīng)用、航空航天零部件［19］。目前，DMLS在農(nóng)業(yè)上主要應(yīng)用于形狀復(fù)雜、曲面較多的零件，如旋耕刀、水泵葉輪機(jī)、送料螺旋等。隨著農(nóng)業(yè)航空植保技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用不斷增加，農(nóng)業(yè)航空中無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵部件對(duì)于輕量化的極限需求與日俱增，這將為DMLS在農(nóng)業(yè)航空提供新的研究領(lǐng)域。

4．4熔融沉積成型技術(shù)熔融沉積成型是由美國(guó)Stratasys公司開(kāi)發(fā)的繼光固化成型工藝后另一種被廣泛應(yīng)用的成型方法［22－23］。其原理見(jiàn)圖5，將絲狀的熱熔性材料加熱熔化，通過(guò)微細(xì)噴嘴將熔融絲擠出，噴嘴按照控制單元指令相對(duì)工作臺(tái)沿水平方向移動(dòng)，熔融絲擠出溫度略高于固化溫度，以保證熱熔材料的黏結(jié)性，與前一層熔結(jié)在一起。一層成型后，工作臺(tái)按設(shè)定值下降1個(gè)層厚，繼續(xù)熔噴沉積，直至整個(gè)實(shí)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(shí)體分開(kāi)成型，可分別控制支撐和實(shí)體的成型參數(shù)。熔融沉積是目前成本最低廉、應(yīng)用最廣泛的增材制造方法，主要用于辦公用品、模具開(kāi)發(fā)、醫(yī)學(xué)植入體、醫(yī)療器械、建筑等三維實(shí)體制造［24］。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)楊洲團(tuán)隊(duì)采用熔融沉積設(shè)計(jì)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(lián)軸器，米白色部分為目前市場(chǎng)上通用的外槽輪。楊洲團(tuán)隊(duì)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制每個(gè)外槽輪，并對(duì)2種外槽輪的排肥量進(jìn)行了對(duì)比研究。試驗(yàn)選用華南農(nóng)業(yè)大學(xué)自行搭建的排肥檢測(cè)平臺(tái)（圖7），采用電子施肥控制器控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，采用HX－T型電子天平測(cè)量排肥質(zhì)量，以外槽輪旋轉(zhuǎn)10圈為1個(gè)指標(biāo)，連續(xù)測(cè)量5次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。數(shù)據(jù)表明，采用增材制造的外槽輪排肥器變異系數(shù)更小，設(shè)備更加穩(wěn)定可靠。

5增材制造技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)機(jī)機(jī)械制造的前景

發(fā)展增材制造技術(shù)可為農(nóng)機(jī)發(fā)展開(kāi)拓設(shè)計(jì)思路，減少無(wú)用功的消耗。增材制造技術(shù)目前已被應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)，在農(nóng)業(yè)機(jī)械制造中的應(yīng)用也勢(shì)在必行。傳統(tǒng)的農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)流程復(fù)雜，包括確定設(shè)計(jì)目標(biāo)和方案、設(shè)計(jì)樣機(jī)、田間試驗(yàn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、完成開(kāi)發(fā)。傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)中首先要考慮加工，在能夠?qū)崿F(xiàn)加工的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，導(dǎo)致在理論中最省功的仿生（仿形）設(shè)計(jì)無(wú)法在實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)。增材制造最大的優(yōu)勢(shì)在于突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，采用層層疊加的方式，加工過(guò)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(fù)雜的空間漸變曲線、仿生（仿形）結(jié)構(gòu)。采用增材制造可為農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)提供新的思路，將有更多的仿生（仿形）結(jié)構(gòu)得以應(yīng)用，大幅減少農(nóng)機(jī)的功耗損失。發(fā)展增材制造技術(shù)可縮短農(nóng)業(yè)機(jī)械試制周期，減少成本投入。農(nóng)業(yè)機(jī)械與其他機(jī)械最大的區(qū)別在于農(nóng)機(jī)需要田間試驗(yàn)，而田間試驗(yàn)又受到作物生長(zhǎng)周期的限制，因此樣機(jī)試驗(yàn)效果的反饋成為縮短農(nóng)機(jī)研發(fā)周期的瓶頸，許多農(nóng)機(jī)需用幾年時(shí)間完成田間試驗(yàn)。增材制造技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于田間試驗(yàn)效果的快速反饋，小尺寸關(guān)鍵部件的成型時(shí)間一般為1～2d，自動(dòng)化程度高，幾乎不需要人為操作，成型單件成品時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)加工。相同時(shí)間內(nèi)可反復(fù)多次進(jìn)行田間試驗(yàn)及設(shè)計(jì)修改，提高了優(yōu)化效率，縮短了農(nóng)機(jī)的試制周期，使田間試驗(yàn)與設(shè)計(jì)修改結(jié)合得更為緊密，效率更高，減少了產(chǎn)品的市場(chǎng)響應(yīng)時(shí)間和研發(fā)成本。發(fā)展增材制造技術(shù)可提高農(nóng)機(jī)制造水平，增加農(nóng)機(jī)設(shè)備的可靠性。農(nóng)機(jī)多采用傳統(tǒng)的車(chē)鉗銑刨磨進(jìn)行加工，制造成本低，精度和穩(wěn)定性差，雖然國(guó)家每年都有農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼，但農(nóng)機(jī)使用壽命過(guò)短造成了資源的極大浪費(fèi)。增材制造屬于先進(jìn)制造技術(shù)，將數(shù)控機(jī)床與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，加工精度和自動(dòng)化程度高，成型過(guò)程中受外界干擾條件少，成型零件性能穩(wěn)定可靠，是《中國(guó)制造2025》重點(diǎn)發(fā)展方向之一。采用增材制造技術(shù)將大幅提高我國(guó)農(nóng)機(jī)制造行業(yè)的制造水平，增加農(nóng)機(jī)裝備的可靠性，提升我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械制造行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)：

［1］閔杰，李佳師．3D打印帶動(dòng)變革國(guó)內(nèi)應(yīng)用尚未起步［N］．中國(guó)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(shù)在農(nóng)具生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］．農(nóng)機(jī)化研究，2007，9（9）：189－191．

［3］張?jiān)葡迹す饧庸ぜ夹g(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械制造中的應(yīng)用［J］．農(nóng)技服務(wù)，2009，26（3）：145－146．

［4］黃永俊．激光技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械制造中的應(yīng)用［J］．農(nóng)機(jī)化研究，2008，6（6）：242－244．

［5］裴進(jìn)靈．基于3D打印的農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)及應(yīng)用［J］．當(dāng)代農(nóng)機(jī)，2014，8（8）：73－74，75．

［6］孫健峰．激光選區(qū)熔化Ti6Al4V可控多孔結(jié)構(gòu)制備及機(jī)理研究［D］．廣州：華南理工大學(xué)，2013

［7］王廣春，趙國(guó)群．快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：12－95．

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

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

作者：孫健峰 朱卿創(chuàng) 楊洲 黃忠奎 單位：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院