浅析3D打印技术在选矿机械中的应用

摘要： 本文从3D打印技术发展入手，分析了3D打印技术的原理和分类，创新性地将其融入到选矿机械方向，从选矿机械教学、零件修复、展示宣传、新设备研发四个方面探讨了3D打印的应用。分析表明：3D打印技术将会对传统的选矿机械行业产生变革性的影响，具有长远的发展潜力和巨大的经济效益。

Abstract： Based on the development of 3D printing technology， this paper analyzed the principle and classification of 3D printing technology， incorporated it into the mineral processing machinery direction innovatively， discussed the application of 3D printing from mineral processing machinery teaching， repair parts， display of publicity， new product research. The analysis shows， 3D printing technology will have a transformative impact on the traditional mineral processing machinery industry， and have long-term development potential and enormous economic benefits.

关键词： 选矿机械；3D打印；教学设计；零件修复

Key words： mineral processing machinery；3D printing；instructional design；parts repair

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）22-0185-02

0 引言

3D打印技术是制造业领域正在快速发展的新兴技术，以其数字化、网络化、个性化、定制化等特点，被誉为是“推动第三次工业革命的重要生产工具”[1]，3D打印技术对我国制造业的发展起着极其重要的推动作用，其应用领域十分广泛，包括航空航天、武器装备、工业设计与制造、医疗、文化、珠宝首饰、建筑等多个不同行业[2-5]。2013年，国家科技部公布《国家高技术研究发展计划（863技术）》和《国家科技支撑计划制造领域项目征集指南》中，3D打印技术首次入选，限期我国众多学者对3D打印技术深入研究，发现其具有的快速性、准确性及擅长制作任意复杂形状的特性，能够有效推动我国各行各业快速发展。但是目前3D打印技术很少提到选矿机械行业的应用，将两者融合是选矿机械发展方向的全新尝试。

1 3D打印原理及分类

3D打印（3 Dimensional Printing，三维打印）的学名为增材制造（material additive manufacturing），是以数字模型为基础，利用粉末狀金属、热熔性塑料、光固化树脂、陶瓷粉末等可粘接材料，通过逐层打印叠加而制造复杂形状零件的方法。主要的分类为[6]：

①SLA光固化成型技术：以光敏树脂为原料，激光照射后树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层，逐层累积。

②FDM熔融层积成型技术：将丝状的热熔性材料加热融化，选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面，一层一层堆积直至形成整个实体。

③SLS选区激光烧结技术：通过预先在工作台上铺一层粉末材料，然后让激光对粉末进行烧结，然后不断循环，层层堆积成型。

④LOM分层实体制造法。根据零件分层集合信息切割材和纸等，将所获得的层片粘接成三维实体。

2 3D打印技术在选矿机械方向的应用

2.1 选矿机械教学

目前，我国高校的选矿机械教学多数采用的是传统的PPT教学模式[7]，即教师多使用语言、文字和图片描述教学内容，尽管利用UG、SolidWorks、ADAMS、Proe、Catia等三维建模软件能够实现选矿机械的三维可视化，但多媒体课件展示的教学三维模型也无法使学生直接接触和观察选矿机械的实际结构和工作原理。而形象直观的选矿机械模型定制花费很高，有些甚至是无法定制的，因此很少有学校进行配备。而且需要专门的教学设备制作公司制造，更新速度慢，根本无法适用现代选矿机械多变化、多样化、迅速发展的特性。

3D打印则提供了无限的创造空间，教师可以方便地自主制作和打印选矿机械模型，以形象直观可触摸的三维模型展示教材中提取的二维信息，并可设计个性化教学模型来适应课堂教学内容的多变化，学生也可以观察、触摸和组装选矿机械零件模型，将很大程度加深学生对于选矿机械的实际结构、原理等的理解。3D打印也可以进行选矿机械的实践教学，让学生从选矿机械的设计到打印全部参与，促进学生的设计能力、观察能力和动手能力，进一步提高学生的创新能力。

2.2 选矿机械零件修复

选矿机械属于大型机械设备，造价昂贵，缺少备件，工作环境恶劣，容易产生损坏，损伤模式复杂，造成维修成本较大，一旦出现损坏，会造成生产线中断，出现较大经济损失。选矿机械的易损零部件可分为直接工作件类、结构件类型、传动系统件类三种，如颚式破碎机的颚板、跳汰机筛板、传动齿轮等，目前采用激光熔覆技术来修复受损表面，但其没有三维造形功能，因此无法恢复设备易损零部件的待修复区结构原形，仅仅实现简单的涂覆，后期还需要进一步打磨等后处理工艺[8]，而3D打印激光成形修复技术解决了激光熔敷技术在成形方面的缺陷，综合了三维成形与表面强化技术的特长，同时可以实现多材料的复合制造，利用Fe基、Co基、Ni基等可熔金属作为粘接剂，并加入TiC、ZrO2、SiC、Al2O3等陶瓷作为增强相修补至易磨损部分，使得零件的耐磨性、硬度得到大幅提升，适合用于解决选矿机械的受损修复问题，可以迅速精确地实现受损设备的维修保障，它将会是未来颠覆传统机械加工设备维修保障技术的手段。

2.3 选矿机械宣传展示

选矿机械由于体积大、重量大，难以搬运等特点，因此国际国内设备展览会，如加拿大多伦多国际矿业展览会、南非国际矿山机械展览会、全国矿物加工前沿技术与装备大会上进行展示时需要耗费庞大的人力、物力和财力，若只进行部分小型设备展览，或者设备宣传片的播放，可以达到节约成本的目的，但根本达不到预期的宣传效果。将3D打印技术应用于选矿机械展示中，以打印选矿机械模型取代实体机械设备，可以大大节省搬运、安装过程中造成的损耗，完全可以取代传统的单一平面宣传方式。

2.4 新选矿设备研发

选矿机械开发周期的缩短，意味着设备能够尽快投入生产，但选矿机械设备的原型机制作将花费较长时间，并且原型机的测试需要对产品原型进行性能测试和严格的工程评价，以实现设计缺陷的及时反馈，尽最大可能地降低选矿机械设备开发风险。采用3D打印技术可大大缩短选矿机械原型机的制作时间，从以往的几个月缩短至几个星期甚至几天，及时实现市场的快速响应[9]。

目前选矿机械多为组装结构，有些組装结构增加的产品的质量、体积、复杂程度和故障几率，在生产和装配过程中浪费大量的人力物力，而3D打印采用增材制造，使得结构一体化，不仅提高了生产效率，也提高了零件的结构强度和可靠性，使得复杂的机械结构和原理得以简化实现，让制造和装配工艺不再是设计师想象力的束缚。

3 总结

本文创新性地将3D打印融入选矿机械方向，主要从选矿机械教学、选矿设备修复、展示宣传、新设备研发阐述了3D打印的应用，其快速性、准确性及擅长制作任意复杂形状的特性，将会对传统的选矿机械行业产生变革性的影响，是选矿机械行业一个全新的发展方向，具有潜在的技术优势和广阔的应用前景，将在选矿机械领域产生巨大的经济效益。

参考文献：

[1]Berman B. 3-D printing： The new industrial revolution[J]. Business horizons， 2012， 55（2）： 155-162.

[2]李小丽， 马剑雄， 李萍，等.3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表，2014，35（1）：1-5.

[3]谭立忠，方芳.3D打印技术及其在航空航天领域的应用[J]. 战术导弹技术，2016（4）.

[4]张海荣，鱼泳.3D打印技术在医学领域的应用[J].医疗卫生装备，2015，36（3）：118-120.

[5]王子明，刘玮.3D打印技术及其在建筑领域的应用[J].混凝土世界，2015（1）：50-57.

[6]张学军，唐思熠，肇恒跃，等.3D打印技术研究现状和关键技术[J]. 材料工程，2016，44（2）：122-128.

[7]江务学，祝衍军，汪嘉.现代教育技术支持下的高职教学模式研究[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2013，12（2）：54-57.

[8]高霁，宋德阳，冯俊文.工艺参数对钛合金激光熔覆CBN涂层几何形貌的影响[J].表面技术，2015（1）：77-80.

[9]高越.3D打印技术影响下设计师与产品设计的重新定位[D].北京理工大学，2015.

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