淺談關(guān)于3D打印金屬材料的技術(shù)應(yīng)用

劉永利

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，3D打印技術(shù)憑借自身所具備的減少生產(chǎn)材料、降低生產(chǎn)成本以及可實現(xiàn)遠(yuǎn)程加工等特性，再加上打印材料的不斷豐富、直接生成成品理念的不斷形成以及功能的實現(xiàn)，使其一直被譽(yù)為制造行業(yè)最具有發(fā)展前景的生產(chǎn)制造技術(shù)。為了對3D打印技術(shù)現(xiàn)階段的關(guān)鍵技術(shù)以及瓶頸進(jìn)行詳細(xì)的分析了解，通過對國內(nèi)外3D打印技術(shù)資料以及3D打印技術(shù)的種類與金屬材料進(jìn)行分析探討，對未來金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?3D打印;金屬材料;技術(shù)應(yīng)用

[中圖分類號] ?TP334.8 ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ? [文章編號] ?2096-0603（2020）13-0184-02

雖然3D打印技術(shù)早在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)誕生，但是一直到20世紀(jì)90年代才得到真正應(yīng)用。這種技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，其與傳統(tǒng)的加工制造行業(yè)不同，3D技術(shù)更偏向于一種增材制造方式，其主要原理是通過對三維設(shè)計軟件進(jìn)行合理的利用，并利用設(shè)計的原理將3D打印技術(shù)不斷應(yīng)用，或者通過逆向工程采集相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的模型后，再利用切片工具對其進(jìn)行逐層平面切片，最終堆積成所需要的實體。

一、3D打印技術(shù)金屬材料現(xiàn)狀

（一）國外金屬材料3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀

近年來，隨著金屬材料3D打印技術(shù)取得的發(fā)展，從20世紀(jì)90年代開始正式得到應(yīng)用，直至現(xiàn)在，全球的金屬材料打印機(jī)銷售量一直呈上升趨勢。目前，國外金屬材料打印技術(shù)的先進(jìn)代表主要有德國Trumpf以及美國POM公司DMD505，而我們通過這兩個先進(jìn)代表取得的實質(zhì)性進(jìn)展，例如，對鈦合金葉片的修復(fù)打印技術(shù)，其力學(xué)性能已經(jīng)達(dá)到能夠鍛件的水準(zhǔn)，并且該技術(shù)已經(jīng)達(dá)到可以應(yīng)用在民用或軍用飛機(jī)上的要求。除了在制造方面的延伸發(fā)展，3D打印技術(shù)不斷創(chuàng)新，現(xiàn)在甚至已經(jīng)可以應(yīng)用到生物技術(shù)上面，通過觸摸3D打印技術(shù)，能夠?qū)υ袐D腹中胎兒進(jìn)行超聲波圖像模型打印，這項技術(shù)2015年5月在巴西首次得到成功應(yīng)用。

（二）國內(nèi)金屬材料3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀

金屬材料3D打印技術(shù)自20世紀(jì)90年代起，我國就已經(jīng)有相應(yīng)的研究，并且在鈦合金和生物醫(yī)療方面也取得了一定的成就。而后，清華大學(xué)在對金屬材料3D打印技術(shù)的研究中，也取得了一定的成就，并且在EBSM技術(shù)方面更是取得了較為重大的突破。另外，我國南京航空航天大學(xué)在其主要研究的SLM技術(shù)以及其硬件系統(tǒng)、工藝特性和成型件力學(xué)性能等方面都取得了相應(yīng)的突破，部分已經(jīng)達(dá)到或者接近國際先進(jìn)水平[1]。同時，近年來我國為了能夠推進(jìn)3D打印技術(shù)的發(fā)展，國家根據(jù)實際情況制定了相應(yīng)的文件并普及政策，大力支持3D金屬材料打印技術(shù)的發(fā)展。

二、當(dāng)前3D打印技術(shù)的分類

當(dāng)前，3D打印技術(shù)隨著不斷的創(chuàng)新發(fā)展，其針對不同的情況所采用的加工方法以及材料都存在著一定的差異，現(xiàn)目前有關(guān)3D打印技術(shù)的分類主要有以下幾種。

（一）3DP技術(shù)

3DP技術(shù)主即一種標(biāo)準(zhǔn)噴墨打印技術(shù)，這種打印技術(shù)的材料通常為液體，其打印出的模型可以通過多種色彩的形式進(jìn)行呈現(xiàn)。其主要的技術(shù)原理是通過對噴射粘結(jié)劑粘結(jié)粉末形成制件實體，這種3DP技術(shù)在進(jìn)行模型打印中的具體工作流程為：首先通過控制系統(tǒng)對噴頭進(jìn)行有效的控制，并使其按照所給的一層截面信息在事先鋪好的一層粉末材料上進(jìn)行選擇性的粘結(jié)劑噴射。當(dāng)每一層截面薄層形成后，工作臺就會根據(jù)所給出的數(shù)據(jù)指令進(jìn)行下降再次循環(huán)粘結(jié)劑的噴射工作，重新形成新的一層薄層，并通過這樣的不斷循環(huán)，一直到所需薄層全部形成完畢[2]。通常情況下，經(jīng)由3DP技術(shù)打印出來的制件都還需要進(jìn)行相應(yīng)的后續(xù)處理，才能夠達(dá)到各類應(yīng)用對強(qiáng)度上的要求。

（二）SLA立體平板印刷技術(shù)

SLA立體平板技術(shù)通常多采用計算機(jī)對模型進(jìn)行分層，并且能通過計算機(jī)來對打印制件各分層截面以及堆積路徑信息進(jìn)行相應(yīng)的處理，最終得到相應(yīng)的三維實體模型。這種通過SLA立體平板印刷技術(shù)所打印出來的石頭模型材料通常多為塑料以及樹脂等，同時這種打印技術(shù)具備打印速度快、能夠?qū)^高的自動化加工進(jìn)行實現(xiàn)的特點(diǎn)，最終形成的實體模型的形狀也較為復(fù)雜，精度較高。

（三）SLS選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)

SLS選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)，顧名思義，這種打印技術(shù)主要采用的打印方法即是通過對激光進(jìn)行利用，使激光對每層金屬粉末在計算機(jī)的控制下按照一定的路徑進(jìn)行燒結(jié)從而層層堆積成型。并且這種打印技術(shù)相較其他打印技術(shù)，其采用的方法工藝簡單，材料也多為金屬，主要應(yīng)用于模具制造業(yè)的快速成型。

三、金屬打印的關(guān)鍵技術(shù)

（一）難熔金屬的3D打印

眾所周知，不同金屬之間的熔點(diǎn)存在不同的差異，有些金屬熔點(diǎn)較低，就很容易被融化，而一些金屬熔點(diǎn)較高，在對其進(jìn)行相應(yīng)加工時，就會出現(xiàn)難以融化等現(xiàn)象。在金屬材料3D打印中，也同樣存在著相應(yīng)的問題。例如，鎢、鉬、錸等金屬材料，其熔點(diǎn)都較高，對其進(jìn)行相應(yīng)加工融化時就較為困難，比如其中鎢的熔點(diǎn)就高達(dá)3410 ℃，正常情況下如果將其制成用于3D打印的球形粉末就較為困難。但是，通常事物都具有兩面性，這些難熔金屬也是一樣，由于難熔金屬的熔點(diǎn)較高，其也就具備耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)，這類金屬材料也多被應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域關(guān)鍵部件中[3]。目前，有關(guān)金屬球形粉末3D打印的相關(guān)設(shè)備及其材料的核心技術(shù)主要被德國、美國以及日本等國家控制，并且金屬球形粉末的制備已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。雖然在近年來，我國在金屬3D打印設(shè)備、制造工藝以及過程控制與工藝穩(wěn)定性等方面都取得了較為顯著的進(jìn)展，但在相關(guān)材料方面仍然存在一定阻礙，尤其是對超細(xì)3D打印難熔金屬球形粉末的材料純度以及求化率等方面指標(biāo)上，與德國、美國以及日本等國家仍存在較大的差距。

（二）提高3D打印設(shè)備能力

目前，國內(nèi)對金屬材料3D打印技術(shù)仍然存在著一定的問題，而這些問題的存在，也在一定程度上對3D打印技術(shù)的突破發(fā)展造成了阻礙，而如何有效解決此類問題，提高3D打印技術(shù)能力成了當(dāng)前的主要研究方向。其中，對當(dāng)前國內(nèi)對金屬材料3D打印的主要問題包括當(dāng)前中國金屬打印的成型大尺寸零件的打印尺寸范圍有限，當(dāng)前國內(nèi)對該類成型大尺寸零件的打印只能打印出400 mm×400 mm×400 mm尺寸。另外，目前3D打印設(shè)備的效率普遍較低，在進(jìn)行打印的同時，不能夠做到進(jìn)一步的壓縮工作，并且在對最后打印出的模型等的質(zhì)量控制也存在一定的不足，不能夠完全保證打印質(zhì)量。例如，在對3D打印出成型的模型粗糙度的把控方面就存在一定的不足，比如對粗糙度的控制最好只能夠達(dá)到Ra6.4左右，而在傳統(tǒng)的加工方式中，對粗糙度的把控最低只能夠達(dá)到Ra1.6左右。因此，針對當(dāng)前國內(nèi)金屬材料3D打印技術(shù)中所存在的問題，必須通過3D打印技術(shù)中的打印范圍、打印速度以及打印精準(zhǔn)度等方面進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而合理有效地提高3D打印設(shè)備能力。

（三）制定相應(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前，對金屬材料3D打印技術(shù)還沒有一定的檢測標(biāo)準(zhǔn)以及體系形成，因此，在對3D打印質(zhì)量的把控上不能夠直接像傳統(tǒng)加工方式一樣直接對最終打印成型的產(chǎn)品進(jìn)行合理有效的評價。例如在對打印過程中一些類似夾渣、氣泡等不可避免的問題出現(xiàn)時，并沒有具體的檢測手段以及工具來對其進(jìn)行合理的檢測，因此并不能夠直接對最終打印成型的產(chǎn)品進(jìn)行合理有效的評價。而針對這一問題，最好的解決方法就是制定好相應(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)。

（四）形成系統(tǒng)的使用壽命以及使用方式數(shù)據(jù)庫

隨著信息技術(shù)時代的飛速發(fā)展，在這一時代背景下的3D打印技術(shù)也自然深受信息技術(shù)的影響，在目前，無論是3D打印技術(shù)，還是其他領(lǐng)域的創(chuàng)新，都是基于信息技術(shù)的發(fā)展而進(jìn)行的，而基于信息技術(shù)的數(shù)據(jù)功能也自然成為3D打印技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新的關(guān)鍵。雖然在當(dāng)前時代，物聯(lián)網(wǎng)的逐漸完善，使相關(guān)的使用者能夠遠(yuǎn)程獲得并打印相應(yīng)文件，但是通過將大數(shù)據(jù)與3D打印技術(shù)相互融合，加上3D打印技術(shù)幾乎在當(dāng)前社會上的所有領(lǐng)域所存在的影響，也同樣能夠使更多的生產(chǎn)商以及研究者們能夠看到遠(yuǎn)超我們想象的擴(kuò)展功能。因此，要有效推動3D打印技術(shù)的發(fā)展，就必須建立起合理的遠(yuǎn)程連接并成立使用方式數(shù)據(jù)庫[4]。另外，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，無論是個人還是制造商或者航空、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?qū)?D打印技術(shù)的使用也越來越多，如果沒有合理地建立有效數(shù)據(jù)庫，久而久之也就很容易出現(xiàn)各種問題，3D打印技術(shù)的使用壽命也就會縮短，這也體現(xiàn)出在3D打印技術(shù)中，延后系統(tǒng)的使用壽命以及建立合理的使用方式數(shù)據(jù)庫的重要性。

綜上所述，本文通過對國內(nèi)外3D打印金屬材料的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，我們能夠了解到，隨著3D打印技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，所涉及的領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展，甚至在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也應(yīng)用比較廣泛，例如，通過觸摸3D打印技術(shù)能夠?qū)υ袐D腹中胎兒進(jìn)行超聲波圖像模型打印，就是3D打印技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域中較為成功的應(yīng)用。近年來，無論是國內(nèi)還是國外，對3D打印技術(shù)的研究從未停止過，國內(nèi)出臺各項政策支持3D打印技術(shù)的發(fā)展，加大3D打印技術(shù)的研究。而通過本文對當(dāng)前3D打印技術(shù)的種類以及金屬材料3D打印的現(xiàn)狀、金屬材料3D打印的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行的探討分析，能夠發(fā)現(xiàn)在目前，我國對3D打印技術(shù)的研究發(fā)展在不同領(lǐng)域都取得了一定的突破，而這些突破都在一定程度上對我們國家的制造水平以及生活、生產(chǎn)方式都進(jìn)行了一定程度的革新。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙北晗.淺談3D打印技術(shù)及應(yīng)用[J].無線互聯(lián)科技，2015（6）：132-134.

[2]張濤.淺談3D打印技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（5）：210-211.

[3]程俊廷，張懌，盧建軍.淺談3D打印技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].機(jī)電信息，2018（27）：96-97，99.

[4]王夢.淺談3D打印技術(shù)應(yīng)用于金屬加工[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2016（1）：115-116.

編輯 馬燕萍