淺談金屬材料3D打印技術(shù)

趙春陽(yáng)

河南省交通高級(jí)技工學(xué)校，河南駐馬店 463000

摘 要 隨著中國(guó)制造2025的行動(dòng)計(jì)劃制定，作為制造行業(yè)最具有發(fā)展前景的金屬3D打印技術(shù)，因其自身具備減少生產(chǎn)耗材、降低生產(chǎn)成本、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程加工等特性，使得其重要性逐漸凸顯出來(lái)。本文通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外先進(jìn)金屬3D打印技術(shù)資料，從3D打印的種類和金屬3D打印的現(xiàn)狀簡(jiǎn)單闡述了金屬3D打印技術(shù)，并詳細(xì)分析了現(xiàn)階段3D打印發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)和瓶頸，并對(duì)未來(lái)金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 3D打印技術(shù)；金屬打??；中國(guó)制造2025；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào) TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）13-0106-02

3D打印技術(shù)是一種快速成形技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)加工制造行業(yè)的減材制造，是一種增材制造方式，利用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)或者通過(guò)逆向工程采集相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｐ秃?，利用切片工具?duì)其進(jìn)行逐層平面切片，然后由3D打印機(jī)把不同的材料按切片的圖形進(jìn)行疊加，最終堆積成需要的實(shí)體的一種技術(shù)。隨著科技的發(fā)展，材料技術(shù)的不斷提升，3D打印材料也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，使得利用快速成形技術(shù)直接打印金屬功能零件也得以實(shí)現(xiàn)，而且這一技術(shù)也將會(huì)成為金屬加工的主要發(fā)展方向。3D打印技術(shù)也將會(huì)改變著人們傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式和生活方式，結(jié)合中國(guó)制造2025行動(dòng)計(jì)劃，我國(guó)也把這一技術(shù)提上日程，快速發(fā)展。

1 3D打印技術(shù)的分類

根據(jù)3D打印技術(shù)所采用的加工方法和材料目前主要分為以下幾種。

1）3DP技術(shù)。采用標(biāo)準(zhǔn)噴墨打印技術(shù)，材料多為液體，打印模型可以有多種色彩，樣品可傳遞信息量較大。2）SLA立體平版印刷技術(shù)。多采用計(jì)算機(jī)對(duì)模型進(jìn)行分層，并處理各分層截面及堆積路徑信息進(jìn)行逐層堆積，直到得到相應(yīng)的三維實(shí)體模型。材料多為塑料，樹脂等。這種方法打印速度快、能實(shí)現(xiàn)較高的自動(dòng)化加工，形成實(shí)體的形狀復(fù)雜，精度較高。3）FDM熔融層積成型技術(shù)。這種技術(shù)也是利用層積的方式，逐層打印，材料多為塑料，多用于打印小塑料件。4）SLS選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)。多用激光燒結(jié)技術(shù)對(duì)每層金屬粉末在計(jì)算機(jī)控制下按照一定的路徑進(jìn)行燒結(jié)，層層堆積成型。這種方法工藝簡(jiǎn)單，材料可為金屬，主要用于模具制造業(yè)的快速成型。5）DLP激光成型技術(shù)。類似于第二種的SLA立體平版印刷技術(shù)，不過(guò)它加工更快。材料多為塑料。

2 金屬材料3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代后期開始，美國(guó)人首先由約翰霍普金斯大學(xué)、賓州大學(xué)和MTS公司聯(lián)合對(duì)鈦合金3D打印技術(shù)進(jìn)行了研究，并取得把成果命名為“鈦合金的柔性制造”技術(shù)。近年來(lái)，金屬3D打印取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，到2016年全球金屬打印機(jī)銷量飛速增長(zhǎng)40%左右，目前，國(guó)外金屬打印技術(shù)先進(jìn)代表有德國(guó)Trumpf和美國(guó)POM公司DMD505。它們已經(jīng)取得很多實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，比如：對(duì)鈦合金葉片的修復(fù)打印，力學(xué)性能已達(dá)到鍛件水準(zhǔn)，可以應(yīng)用到民用和軍用飛機(jī)上去。

在生物技術(shù)上通過(guò)打印胎中嬰兒，通過(guò)觸摸3D打印技術(shù)打印出的超聲波圖像模型，2015年5月，巴西一位盲人母親首次“親眼看到”了其還未出生的兒子。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代開始，國(guó)內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)就開始對(duì)金屬打印的研究，在鈦合金和生物醫(yī)療方面有了一定的成就；清華大學(xué)在EBSM技術(shù)方面也取得了突破；南京航空航天大學(xué)主要研究SLM技術(shù)，SLM技術(shù)的硬件系統(tǒng)、工藝特性和成型件力學(xué)性能等方面部分達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平。為推進(jìn)3D打印技術(shù)的發(fā)展國(guó)家也制定了相應(yīng)的文件和政策，大力支持3D打印技術(shù)的發(fā)展，并認(rèn)清了和先進(jìn)國(guó)家的差距，積極促進(jìn)形成產(chǎn)業(yè)化。

近10年來(lái)，我們的3D打印技術(shù)也取得了一些成就，比如GE中國(guó)研發(fā)中心的工程師們?nèi)栽诼耦^研究3D打印技術(shù)。就在這之前，他們剛剛用3D打印機(jī)成功“打印”出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件。與傳統(tǒng)制造相比，這一技術(shù)將使該零件成本縮減30%、制造周期縮短40%。

3 金屬打印的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 難熔金屬的3D打印

像鎢、鉬、錸等材料熔點(diǎn)高，比如鎢熔點(diǎn)是3 410℃，要把它們制成用于3D打印的球形粉末十分困難。但同時(shí)這些難熔金屬又具有良好的耐高溫、耐腐蝕性等特點(diǎn)，航空航天領(lǐng)域關(guān)鍵部件中得到應(yīng)用。

目前，金屬球形粉末3D打印的相關(guān)設(shè)備與材料的核心技術(shù)主要控制在德、美、日等國(guó)，其金屬球形粉末的制備已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，并建立了粉末原材料、制造產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。近年來(lái)，我國(guó)在金屬3D打印設(shè)備、制造工藝、過(guò)程控制、工藝穩(wěn)定性等方面也取得顯著進(jìn)展，但材料方面的瓶頸問(wèn)題一直沒(méi)有取得重大突破，特別是超細(xì)3D打印難熔金屬球形粉末在材料純度、球形度、球化率以及批次穩(wěn)定性等指標(biāo)上，與發(fā)達(dá)國(guó)家有較大差距，難以滿足我國(guó)航空航天等高端制造業(yè)的迫切需求。

3.2 提高3D打印設(shè)備能力

主要問(wèn)題有，首先中國(guó)金屬打印的成型大尺寸零件的打印尺寸范圍有限，最大的設(shè)備也只能打印400mm×400mm×400mm的零件；其次效率較低，打印時(shí)間不能進(jìn)行進(jìn)一步壓縮；最后打印質(zhì)量不能得以保證，比如粗糙度最好只能達(dá)到Ra6.4左右，而傳統(tǒng)加工方式最低能達(dá)到Ra1.6左右。因此，需要通過(guò)合理的實(shí)時(shí)加工監(jiān)控系統(tǒng)及相應(yīng)的先進(jìn)打印技術(shù)提高其打印范圍、打印速度和精度。

3.3 制定相應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

目前，金屬打印還沒(méi)有形成一定的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和體系，不能像傳統(tǒng)加工方式一樣，對(duì)生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行合理有效的評(píng)價(jià)，比如不可避免的一些夾渣、氣泡、裂縫等，沒(méi)有具體的檢測(cè)手段和工具，需要進(jìn)一步研究。

3.4 形成系統(tǒng)的使用壽命和使用方式數(shù)據(jù)庫(kù)

3D打印的未來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)功能的依賴性很強(qiáng)烈。物聯(lián)網(wǎng)意味著其使用者將能夠遠(yuǎn)程獲得并打印文件，同時(shí)能夠創(chuàng)建令人難以置信的掃描并且分享印刷品。但是，讓大數(shù)據(jù)與3D打印一起工作也會(huì)有更多的機(jī)會(huì)。3D打印可以幫助更多的生產(chǎn)商和研究者并能夠讓我們看到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們想象的擴(kuò)展功能。因此，只有建立起合理的遠(yuǎn)程連接，并建立合理的使用方式數(shù)據(jù)庫(kù)，才能推進(jìn)3D打印的發(fā)展。

對(duì)于3D打印技術(shù)的指數(shù)性增長(zhǎng)是由于這個(gè)技術(shù)幾乎在每個(gè)領(lǐng)域都有巨大影響。業(yè)余愛(ài)好者、國(guó)際制造商、醫(yī)院、美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局等幾乎每個(gè)人都有使用。但是，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)科學(xué)，3D打印技術(shù)將只有有限的使用而且使用壽命會(huì)短很多。

3.5 提高性價(jià)比

金屬材料的3D打印技術(shù)將對(duì)目前的機(jī)械加工方式的不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的加工、需要加工技術(shù)較高等缺陷有了很大的改善和創(chuàng)新，但是因其自身打印機(jī)的造價(jià)高昂而阻礙了這一技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為了更好、更普及的服務(wù)于加工行業(yè)，降低設(shè)備價(jià)格，提高性價(jià)比成為目前金屬材料3D打印的一個(gè)發(fā)展方向。

4 結(jié)論

金屬材料3D打印技術(shù)，作為一種能夠引領(lǐng)生產(chǎn)技術(shù)革命的先進(jìn)加工技術(shù)，我國(guó)現(xiàn)階段還處于初級(jí)發(fā)展階段，為更好的服務(wù)于中國(guó)制造2025，提高和改善我們的制造加工水平，國(guó)家應(yīng)加大投入，組織各個(gè)學(xué)科行業(yè)，共同研究發(fā)展，爭(zhēng)取在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用取得突破，這將極大的改善我們的制造水平和生活、生產(chǎn)方式。本文從3D打印的種類和金屬3D打印的現(xiàn)狀簡(jiǎn)單闡述了金屬3D打印技術(shù)，并詳細(xì)分析了現(xiàn)階段3D打印發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)和瓶頸。

參考文獻(xiàn)

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