3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)

覃捷音

摘 要：隨著近年來我國科學技術(shù)水平的發(fā)展，3D打印技術(shù)也實現(xiàn)了顯著進步。針對目前國內(nèi)3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，我們不能安于現(xiàn)狀，而是應該尋求發(fā)展和突破，從而在獲取顯著發(fā)展成績的同時，實現(xiàn)對項目的創(chuàng)新?；诖?，本文就將對3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)進行研究，希望對這項工作的開展提供有效幫助，實現(xiàn)我國3D打印技術(shù)行業(yè)領(lǐng)域的先驅(qū)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);現(xiàn)狀;關(guān)鍵技術(shù)

3D打印技術(shù)也是一種增材制造技術(shù)手段，和傳統(tǒng)的機加工手段有著較大差異，是在離散和堆積原理上實現(xiàn)的一種制作技術(shù)手段。這項技術(shù)借助計算機形成零件模板，從而將其切成一定厚度的薄片，在3D打印設(shè)備中有規(guī)律的堆疊出三維的零件。這種制作技術(shù)不需要借助道具或是模具，就能完成傳統(tǒng)技術(shù)無法實現(xiàn)的工藝手段，同時還可以在簡化生產(chǎn)工序的過程中，有效控制工作周期。針對這種情況，本文就將對3D打印技術(shù)的發(fā)展情況進行詳細研究，希望對這項工作的開展提供更準確的指導作用。

一、3D打印技術(shù)的定義

在2011年的時候，著名經(jīng)濟刊物將3D打印作為封面文章，主要對3D打印技術(shù)的發(fā)展情況進行介紹和研究，文中提到，在今后的社會發(fā)展中，將會有越來越多有個性的產(chǎn)品需要在3D打印技術(shù)的幫助下進行，因此3D打印技術(shù)的出現(xiàn)必然會對世界制造行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生重要影響[1]。這也讓國內(nèi)外新聞媒體認識到，今后3D打印產(chǎn)業(yè)將有著十分廣闊的發(fā)展前景，是今后我國研究和發(fā)展的重要技術(shù)之一。3D打印技術(shù)中涵蓋了很多技術(shù)，比如機電控制技術(shù)、數(shù)字建模技術(shù)等等，有著較高的科技含量。3D打印技術(shù)最突出的魅力就是這項技術(shù)不需要特定在工廠操作，此外在技術(shù)的發(fā)展和普及過程中，僅僅依靠桌面打印機也可以打印出小物品，而且，人們可以將其放在辦公室商場甚至臥室等等。針對自行車車架、汽車方向盤或是飛機零件等大型產(chǎn)品，則要借助更大的打印機和更大的放置空間對技術(shù)進行應用。由于3D打印技術(shù)可以在工作中不依靠各種機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，因此其不僅能為我們的生產(chǎn)生活提供便利幫助，還能極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本，所以在當前生活中的優(yōu)勢作用十分顯著。此外，3D打印技術(shù)在我國眾多領(lǐng)域中都得到了應用和發(fā)展，使得醫(yī)學、建筑等行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展都提供了更大的可能性。

二、3D打印技術(shù)在國外發(fā)展情況

在技術(shù)發(fā)展的幾十年中，3D打印技術(shù)得到了顯著進步與發(fā)展，打印工作中應用的材料品種不斷增加，這也使得打印結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了復雜化發(fā)展趨勢

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，3D打印技術(shù)已經(jīng)有了很多年的發(fā)展歷史，隨著第三次工業(yè)革命的發(fā)展，這一技術(shù)也受到了國內(nèi)外眾多公司、高校和研究院的關(guān)注，在二十世紀八十年代，美國一家公司研發(fā)出了第一款工業(yè)化的3D打印設(shè)備。在幾十年的研究和發(fā)展中，這一技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了明顯發(fā)展和進步，無論是在材料厚度還是技術(shù)精準度上都已經(jīng)實現(xiàn)了較大進步。

在3D打印技術(shù)發(fā)展背景下，美國在上世紀九十年代也對激光熔融沉積成型技術(shù)進行了研究和發(fā)展。AeroMet公司在短短三年的時間內(nèi)就實現(xiàn)了3D打印技術(shù)在飛機零部件中的應用，這也在很大程度上推動了這項技術(shù)的進步與發(fā)展[2]。

三、3D打印技術(shù)在我國的發(fā)展現(xiàn)狀

由于我國對3D打印技術(shù)的研究和發(fā)達國家相比比較慢，所以在技術(shù)發(fā)展中仍然存在很多需要改進的地方，經(jīng)過大量工作人員的努力和創(chuàng)新，我國當前已經(jīng)初步形成了以高校為核心力量的發(fā)展格局，很多關(guān)鍵技術(shù)也得到了較大進步，在市場中更是構(gòu)建起了相關(guān)的規(guī)模。

（一）構(gòu)建起了高校為核心的技術(shù)研發(fā)體系

在我國發(fā)展中，像北京航天航空大學、北京大學等高等院校為了在技術(shù)發(fā)展中得到更大的優(yōu)勢，相繼構(gòu)建了3D打印技術(shù)研究中心，這些高校目前研發(fā)和創(chuàng)新的3D打印機已經(jīng)基本達到了世界先進水平，這也成為了我國3D打印技術(shù)發(fā)展的重要動力[3]。比如，西北工業(yè)大學主要對金屬材料的科技研發(fā)進行創(chuàng)新。清華大學對ABS材料工藝的研究，都可以被有效應用在3D打印材料的研發(fā)和創(chuàng)新中。

（二）3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進程顯著，構(gòu)建了相關(guān)的產(chǎn)業(yè)市場

目前，針對高校和科學研究院的3D打印技術(shù)研究成果，發(fā)現(xiàn)我國已經(jīng)涌現(xiàn)出越來越多的增材制造設(shè)備單位和企業(yè)。比如北京太爾時代科技有限公司就在發(fā)展中實現(xiàn)了對控制系統(tǒng)、打印材料的有效研發(fā)，擁有了自主產(chǎn)權(quán)。針對我國對3D打印技術(shù)發(fā)展數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)，截止2015年，我國3D打印市場規(guī)模已經(jīng)超過50億美元，在2018年一年中，這一數(shù)據(jù)更是實現(xiàn)了翻倍增長，超過了100億美元。并且針對這一趨勢發(fā)展，在未來幾年中，我國的3D打印技術(shù)仍然會保持每年一倍的速度進行增長，也就是不出幾年就可以實現(xiàn)幾百億美元的突破。

（三）總體水平提升迅速，金屬3D打印技術(shù)處于全球領(lǐng)先位置

在近年來的發(fā)展中，3D打印技術(shù)逐漸受到了人們的關(guān)注和重視，因此這項技術(shù)也被越來越廣泛的應用到了各行領(lǐng)域中。所以3D打印技術(shù)更是受到了國家和科研人員的重視，這也是當前我國3D打印技術(shù)不斷發(fā)展和進步的重要基礎(chǔ)。由于很多3D打印技術(shù)生產(chǎn)出來的產(chǎn)品會存在一定變形、邊角翹起的情況，所以我國更是研發(fā)了相應的金屬3D打印技術(shù)，實現(xiàn)了激光成型技術(shù)的技術(shù)突破，將原本這些問題進行了有效改進，我國也成為了當前世界上最早選擇激光燒結(jié)技術(shù)對金屬零件問題進行處理的國家[4]。比如，北京航空航天大學的3D打印技術(shù)工作室和西北工業(yè)大學3D打印技術(shù)團隊在合作過程中，將這項先進技術(shù)應用有效應用于客機擋風窗中，大大降低了客機重量，提升了飛機運行的安全性。

四、3D打印的關(guān)鍵技術(shù)研究

（一）熔融沉積成型

這項技術(shù)主要是借助細絲狀的塑材料作為創(chuàng)新原料，借助擠壓噴手段，在軟件技術(shù)作用下完成逐層堆積，從而實現(xiàn)對實體零件的掌握。目前熔融沉積成型技術(shù)是一項最常見的3D打印技術(shù)，有著較為成熟的技術(shù)優(yōu)勢，和其他技術(shù)相比，這項技術(shù)成本比較低廉，應用范圍相對比較廣泛[5]。

（二）光固化立體成型

這項技術(shù)需要利用紫光對光敏聚合物進行逐層掃描，確保原本的液態(tài)形式轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，從而實現(xiàn)成型要求。這種技術(shù)手段的實體相對比較復雜，并且技術(shù)實現(xiàn)的精準度更高，但是需要花費較高的成本。

（三）分層制造技術(shù)

這項技術(shù)主要以超薄片作為基礎(chǔ)原料，并在每層薄片上都需要涂抹熱熔膠，從而將每個薄片粘合在一起，是一項全新的成型技術(shù)。這種技術(shù)通常被應用在面積較大的零件制造中。

（四）電子束選區(qū)熔化

這項技術(shù)需要在真空條件下進行，電子束是最主要的熱源，金屬粉末為主要材料，通過逐層對金屬粉末進行散布，只有這樣才能在電子束的熱作用下對金屬粉末進行熔化，實現(xiàn)材料的固化技術(shù)[6]。

五、3D打印的關(guān)鍵技術(shù)問題

（一）對3D打印粉末質(zhì)量和獲得量進行提升

通常情況下，對3D打印質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素比較多，包括材料流動性、粉末粒度、氣體含量等等。比如，3D打印技術(shù)對粉末適應性要求比較低，幾十到幾百微米范圍都能對其進行應用，細粉末通常適合應用在更精細的結(jié)構(gòu)中，而粗粉末則更適合應用在大尺寸加工結(jié)構(gòu)上，但是當粉末粒度小于40微米，粉末的穩(wěn)定性就將大大降低，不利于材料成型[7]。如果粉末粒度較大，則需要借助大功率設(shè)備開展工作，過多的熱輸入很容易對材料力學性能產(chǎn)生影響。此外，粉末價位也是對3D打印質(zhì)量產(chǎn)生影響的重要因素之一，特備是鈦合金細粉。在此種背景下，更需要研究人員不斷提升粉末質(zhì)量，從而實現(xiàn)獲得率的提升。

（二）制定合理的3D打印制件無損檢測技術(shù)規(guī)范

這一制度主要是針對金屬3D打印而言，金屬3D打印的本質(zhì)是焊接，但是對工作中出現(xiàn)的氣孔、裂縫問題并不能做到有效預防。在此種背景下，就需要構(gòu)建起更適合3D打印零件的技術(shù)規(guī)范，從而對工作問題進行有效處理。此外，由于3D打印件的結(jié)構(gòu)組成相對比較復雜，所以在實際工作中很容易對無損檢測技術(shù)帶來負面影響，甚至是麻煩。如果在此環(huán)節(jié)中仍然采用傳統(tǒng)工作形式進行檢測，很難對工作中的問題進行有效檢測，因此需要工作人員對全新檢測方式和裝備進行探索，在不斷創(chuàng)新和發(fā)展中提升技術(shù)水平。

（三）對3D打印設(shè)備的能力和研發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)進行完善

在對激光進行熔融沉積成型技術(shù)研究中，我們需要首先對送粉環(huán)節(jié)穩(wěn)定性的提升，這也關(guān)系著送粉器自身工作的穩(wěn)定性與精準度。但是，即便送粉系統(tǒng)十分精密，受到粉末質(zhì)量的影響，仍然會對打印的零件質(zhì)量產(chǎn)生影響。所以我們就需要針對監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化，實現(xiàn)對打印質(zhì)量的提升。

六、3D打印技術(shù)的發(fā)展前景

在2011年提出的3D打印技術(shù)權(quán)威報告中明確指出：目前全球范圍內(nèi)3D打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)業(yè)在未來二十年中將以每年26%以上的概率進行增加。在2020年，預測這一行業(yè)可以實現(xiàn)百億美元的突破。但是經(jīng)過實際研究，當前3D打印技術(shù)已經(jīng)處于一個明顯的瓶頸階段，所以要想實現(xiàn)對這項技術(shù)的規(guī)?；a(chǎn)，未來仍有很多工作需要完善，特別是技術(shù)上更要進行問題的突破?？偠灾?，在今后技術(shù)年發(fā)展中，3D打印技術(shù)的發(fā)展前景仍然十分廣闊。但是由于這項技術(shù)產(chǎn)業(yè)仍然存在不完善的情況，所以在短期內(nèi)不會得到更為顯著的發(fā)展。針對這種情況，需要加強對技術(shù)的研究和突破，從而為3D打印技術(shù)在市場中的發(fā)揮在那占據(jù)更大空間。

結(jié)束語

綜上所述，隨著第四次工業(yè)革命的發(fā)展，制造行業(yè)為了迎合市場發(fā)展趨勢也加強了對新技術(shù)的融合，比如先進的信息技術(shù)、材料技術(shù)、3D打印技術(shù)等等?？梢哉f隨著新材料的研究和應用，3D打印技術(shù)應用的范圍也將更為廣泛。雖然當前我國和一些先進歐美國家在技術(shù)發(fā)展上仍然存在較大差距，但是相信在高校創(chuàng)新和科研人員的不斷努力過程中，3D打印技術(shù)也將逐漸發(fā)展為一項健全、完善的產(chǎn)業(yè)化體系，并在今后群眾的生產(chǎn)生活中發(fā)揮更顯著優(yōu)勢作用，實現(xiàn)我國制造業(yè)發(fā)展水平的穩(wěn)定提升。

參考文獻

[1] 張學軍，唐思熠，肇恒躍，等.3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)[J].材料工程，2016，44（2）：122-128.

[2] 王凡.3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)[J].當代化工研究，2017，15（8）：137-138.

[3] 胡嵩晗，胡媛茜，李根，等.3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀及技術(shù)探究[J].科技展望，2016，32（25）：282.

[4] 劉偉.彩色3DFDM打印關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)[J].中國鑄造裝備與技術(shù)，2016，55（4）：15-17.

[5] 賀強，程涵，楊曉強，等.面向3D打印的三維模型處理技術(shù)研究綜述[J].制造技術(shù)與機床，2016，19（6）：54-57，61.

[6] 黃淼俊，伍海東，黃容基，等.陶瓷增材制造（3D打?。┘夹g(shù)研究進展[J].現(xiàn)代技術(shù)陶瓷，2017，38（4）：248-266.

[7] 李小麗，馬劍雄，李萍，等.3D打印技術(shù)及應用趨勢[J].自動化儀表，2014，35（1）：1-5.