金屬零件3D打印技術(shù)的應(yīng)用研究

萬海鑫　馬思遠(yuǎn)

【摘 要】隨著科技的日新月異發(fā)展，各種高精尖技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用對人們的生活生產(chǎn)產(chǎn)生了重大改變，極大地便利了人們的工作與生活。3D打印技術(shù)能夠打印出傳統(tǒng)打印技術(shù)難以打印的物件，其中金屬零件3D打印技術(shù)作為整個(gè)3D打印體系中的前沿技術(shù)，有著極其客觀的發(fā)展前景。基于此，文章將針對金屬零件3D打印技術(shù)的發(fā)展及其實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行探究，以期為相關(guān)從業(yè)者提供參考借鑒。

【關(guān)鍵詞】金屬零件；3D打印技術(shù)；應(yīng)用

中圖分類號： TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）06-0045-002

【Abstract】With the rapid development of science and technology，the development and application of a variety of sophisticated technologies has brought about major changes in people's lives and production，which has greatly facilitated people's work and life.3D printing technology can print objects that are difficult to print with traditional printing technologies.Among them，3D printing technology for metal parts has a very objective development prospect as the leading edge technology in the entire 3D printing system.Based on this，the article will explore the development of metal parts 3D printing technology and its practical application，in order to provide reference for related practitioners.

【Key words】Metal parts；3D printing technology；Application

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，各種高精尖技術(shù)的研發(fā)問世與投入使用層出不窮，其中3D打印技術(shù)憑借其強(qiáng)大的技術(shù)能力，在現(xiàn)代化的制造業(yè)中獲得了發(fā)展空間，并逐步成為了現(xiàn)代制造業(yè)不可缺失的重要生產(chǎn)力[1]。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展深入與逐步普及，過去習(xí)以為常的生活生產(chǎn)方式勢必會有所顛覆，作為前景無限的高新制造技術(shù)，其在金屬零件的制造過程中同樣展現(xiàn)出了促進(jìn)推動的效果，憑借3D打印技術(shù)的快速成型優(yōu)勢，應(yīng)用3D打印技術(shù)的金屬零件制造業(yè)也逐漸向快速成型方向邁進(jìn)。

1 金屬零件3D打印技術(shù)的產(chǎn)生

要探析金屬零件3D打印技術(shù)的產(chǎn)生，首先要對3D打印技術(shù)有所了解，同普通的打印技術(shù)相比，3D打印技術(shù)預(yù)期基本原理相同，然而所放入打印機(jī)中需要打印動的原材料有所不同，普通打印技術(shù)是在打印機(jī)中放入紙張、油墨等，而3D打印技術(shù)則是在打印機(jī)中放入金屬、陶瓷、塑料等，是構(gòu)成所需制造物件的真正原材料，在計(jì)算機(jī)技術(shù)的輔助下，通過層層堆疊進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對物件的制造[2]。由于金屬零件有著復(fù)雜結(jié)構(gòu)，且體積較小，而人工制造這類精密零件存在較高難度，因此可利用金屬零件3D打印技術(shù)對該問題予以解決。隨著近年來3D打印技術(shù)的發(fā)展成熟，各項(xiàng)技術(shù)難關(guān)被逐一攻破，使得3D打印技術(shù)在不同行業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用有了極高可能性，而金屬零件3D打印技術(shù)便是其中的典型實(shí)例，其研發(fā)到投入生產(chǎn)使用，大幅推進(jìn)了人們的生活與工業(yè)生產(chǎn)。

2 金屬零件3D打印技術(shù)的發(fā)展

2.1 激光工程化凈成型技術(shù)

該技術(shù)特點(diǎn)為：對結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的金屬功能零件與相關(guān)模具展開直接性的制造；能夠加工的金屬或者合金材料可選范圍大，同時(shí)能夠制造異質(zhì)同體材料零件；可對熔點(diǎn)高、加工難度大的材料進(jìn)行加工。在該技術(shù)系統(tǒng)當(dāng)中，主要由送粉器、送粉頭以及保護(hù)氣路三大結(jié)構(gòu)組成。其中，金屬粉末的流速由步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速決定，為了提升粉末的流動速度，則需要將送粉器設(shè)置在2.5米的高度之上。？由送粉器送出的金屬粉末會被均勻地劃分為4份而進(jìn)入粉頭，由粉頭對準(zhǔn)激光聚焦點(diǎn)處進(jìn)行噴射，進(jìn)而逐步完成整個(gè)熔化堆積[3]。

2.2 激光選區(qū)熔化技術(shù)

該技術(shù)基本原理為：首先通過三維造型軟件對所需零件的三維模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，之后用切片軟件對其進(jìn)行分層，得出各截面數(shù)據(jù)，進(jìn)而填充掃描路徑，而制造設(shè)備便可結(jié)合掃描線去進(jìn)行逐步填充，對激光束的選區(qū)進(jìn)行精細(xì)化地控制，將各個(gè)層次的金屬粉末材料展開熔化，之后便一步步堆積成3D金屬零件[4]。在具體的成型過程中，需要將金屬粉末均勻平鋪在基板上，然后便可激光束結(jié)合指定層的填充掃描線，對基板上的粉末展開選區(qū)熔化，進(jìn)而完成該層的全部加工，設(shè)備便會自動調(diào)出下一層數(shù)據(jù)繼續(xù)進(jìn)行加工。

2.3 電子束選區(qū)熔化技術(shù)

該技術(shù)在加工過程中所應(yīng)用的熱源主要是是高能電子束，通過對磁偏轉(zhuǎn)線圈展開操作而達(dá)到掃描成型的目的，加之電子束為真空環(huán)境，所以金屬粉末在堆積過程中可避免被氧化。該技術(shù)工作原理為：將金屬粉末攤鋪在鋪粉平面上且壓實(shí)處理，之后用計(jì)算機(jī)控制電子束對金屬粉末按照輪廓數(shù)據(jù)信息進(jìn)行選擇性的熔化或燒結(jié)，通過層層堆積，直到整個(gè)金屬零件完全熔化或燒結(jié)完成。

段落修改

3 金屬零件3D打印技術(shù)的應(yīng)用研究

現(xiàn)如今，與金屬零件制造相關(guān)的3D打印技術(shù)尚處于發(fā)展階段，但在這一階段依舊有許多較為先進(jìn)的技術(shù)誕生，不同類型的金屬零件3D打印技術(shù)在特征與優(yōu)勢方面有著相異表現(xiàn)，在具體選擇應(yīng)用過程中，需結(jié)合金屬零件的實(shí)際制造情況。因此，下文筆者將選擇現(xiàn)今技術(shù)發(fā)展相對成熟的技術(shù)對金屬零件3D打印技術(shù)的應(yīng)用情況展開研究。

3.1 EBSM技術(shù)（電子束選區(qū)熔化技術(shù)）的應(yīng)用

EBSM技術(shù)是一種20世紀(jì)90年代研發(fā)并逐步得以發(fā)展的金屬零件3D打印技術(shù)，其制作成型的技術(shù)原理與DMLS/SLM技術(shù)相類似，區(qū)別就在于所使用的熱源存在差異。傳統(tǒng)的DMLS/SLM技術(shù)所使用的熱源為激光能量，而EBSM使用的技術(shù)工藝有著顯著差別。除此之外，EBSM工藝在能量利用方面有著極高效率，并且還具備無發(fā)射、聚焦便捷等優(yōu)點(diǎn)，再加上與3D打印技術(shù)相結(jié)合之后，EBSM技術(shù)憑借其特有的技術(shù)優(yōu)勢，能夠?qū)⒔饘倭慵苯又谱鞒尚?，從而受到了業(yè)內(nèi)人士的熱切關(guān)注。通過研究實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在電子束選區(qū)的熔化工藝當(dāng)中，電子束的加速電壓、掃描線、掃描速度這三者存在一定的線性關(guān)系，也即表明在適度調(diào)節(jié)掃描路徑及搭接率之后，能夠保證金屬零件獲得較高質(zhì)量。在對試件的硬度拉升展開實(shí)驗(yàn)的過程中能夠明顯看出，采用EBSM技術(shù)去成型金屬零件時(shí)，AI元素雖然損失會比較大，但其硬度與熔積高度并沒有直接聯(lián)系，并且金屬零件的硬度會比退火軋制板還要高。

3.2 LENS技術(shù)（激光工程化凈成型技術(shù)）的應(yīng)用

LENS技術(shù)是SLS技術(shù)與LCF技術(shù)的兩者結(jié)合基礎(chǔ)上得以發(fā)展的，該技術(shù)的優(yōu)勢就在于其加工成型適用大多數(shù)金屬材料，結(jié)合不同的金屬粉末形式去合理選擇激光功率，達(dá)到最佳融化效果，之后嚴(yán)格按照所設(shè)置的軌跡，在基板上分層沉積，最后所制造出的金屬零件有著良好的力學(xué)性能，不需要后續(xù)打磨加工便有著細(xì)致組織。早在上世紀(jì)末，LENS技術(shù)的概念便已提出，隨著國外專業(yè)研究機(jī)構(gòu)對其研究的不斷深化，通過運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)對奧氏體不銹鋼試件進(jìn)行制造時(shí)，察覺到加工層數(shù)與試件硬度存在一定的反比關(guān)系。與此同時(shí)，有國外研究機(jī)構(gòu)采用LENS技術(shù)去制造載重植入體的多孔與功能梯度結(jié)構(gòu)，并且制造研究選擇了與人體相容性較高的合金，諸如鈦（Ti）、鎳（Ni）等，通過對研究結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，成品植入的使用壽命能夠達(dá)到7年以上，孔隙率最低超過70%。國內(nèi)對于該項(xiàng)的研究應(yīng)用也取得了不錯(cuò)的進(jìn)展，比如將該技術(shù)應(yīng)用到了網(wǎng)絡(luò)鐵基金屬玻璃組件的制造過程當(dāng)中，有效將其顯微下硬度提升到了9.61GPa。

3.3 SLM技術(shù)（激光選區(qū)熔化技術(shù)）的應(yīng)用

SLM技術(shù)是一種金屬粉末快速成型技術(shù)，其工藝流程要比與其相似的SLS技術(shù)更為簡單，并且該技術(shù)的應(yīng)用所加入的金屬材料通常會選用鎳基合金、貴金屬以及不銹鋼等成分組成較為單一的金屬粉末，通過激光束（能力密度110W/cm2）將所加金屬粉末快速且完全地融化，在預(yù)期設(shè)計(jì)下便能夠?qū)⑵淠坛上胍牧慵螤?。采用SLM技術(shù)所加工形成的金屬零件，有著極為優(yōu)良的致密性，因此可將其應(yīng)用至航空航天、軍事武裝、珠寶加工等高精尖行業(yè)，在工業(yè)界有著極為可觀的發(fā)展前景。然而，在現(xiàn)階段由于受到多方面因素的制約，諸如材料屬性、成型環(huán)境以及制造設(shè)備等，導(dǎo)致最終制造成型的金屬零件容易出現(xiàn)不良缺陷特征。因此，國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對出現(xiàn)此類現(xiàn)象的原因進(jìn)行了分析總結(jié)，并對SLM技術(shù)的應(yīng)用工藝進(jìn)行了深入地改進(jìn)與完善，由于該項(xiàng)技術(shù)在具體應(yīng)用當(dāng)中會對激光功率、掃描間距及速度、基板粉末厚度等一系列參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，所以在研究過程中通過不斷組合各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置，從中發(fā)現(xiàn)這對金屬零件的成型質(zhì)量影響并不大。而通過對出現(xiàn)缺陷的金屬零件的形狀進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，大多表現(xiàn)為球化與翹曲變形，其中出現(xiàn)球化的關(guān)鍵因素在于金屬粉末未能完全融化，而由于受到表面張力作用，未完全融化的金屬液體則會有所翻卷，呈現(xiàn)球狀，最終制成的金屬零件便會存在球化缺陷，經(jīng)過后續(xù)的不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)得知，唯有在融化金屬粉末的過程中加大能量的輸入，才能夠有效避免球化缺陷的產(chǎn)生；倘若輸送能量過高，便會導(dǎo)致熱應(yīng)力超出金屬粉末的承載強(qiáng)度極限，那么在后續(xù)的塑形環(huán)節(jié)便會產(chǎn)生變形，然而原因即便找出，但由于國內(nèi)外目前對該熱應(yīng)力的評估職能采取有限元的方法，通過模擬實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)進(jìn)行評估。

4 結(jié)束語

綜上所述，相較于國外發(fā)達(dá)國家已經(jīng)發(fā)展極為成熟且先進(jìn)的金屬零件3D打印技術(shù)而言，我國目前在這方面的應(yīng)用尚處于初級階段，并且在金屬零件的制造市場尚未廣泛應(yīng)用，除去專業(yè)研究的技術(shù)人員外，相關(guān)領(lǐng)域的負(fù)責(zé)人對該項(xiàng)技術(shù)尚處于一知半解狀態(tài)。為有效改變這一狀況，能夠研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的金屬零件3D打印技術(shù)，則離不開國家與政府的支持，更離不開大規(guī)模的生產(chǎn)實(shí)踐與技術(shù)人員的努力。相信在不久的將來，隨著我國對3D打印技術(shù)的研究深入，勢必會在今后的生產(chǎn)制造中得到廣泛應(yīng)用，進(jìn)而全面助推我國制造業(yè)的穩(wěn)健發(fā)展。

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