關(guān)于3D打印技術(shù)在消防裝備中的應(yīng)用研究

盧璐

（青島市消防救援支隊，山東青島 266000）

0.引言

隨著新時期科技發(fā)展，3D打印技術(shù)逐漸受到國內(nèi)各個科研院所的廣泛關(guān)注，從最開始只能打印制造各種觀賞性塑料產(chǎn)品進一步發(fā)展到能夠?qū)I(yè)生產(chǎn)中的金屬零件進行生產(chǎn)加工。金屬零件相關(guān)3D打印技術(shù)具有較大的發(fā)展?jié)摿?，屬于未來制造技術(shù)的發(fā)展主流趨勢。

1.3D打印技術(shù)分析

3D打印技術(shù)可以幫助打印出各種幾何形狀較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)部件，同時加工后，對應(yīng)部件無需額外進行某些復(fù)雜處理。能夠按照各個零部件的加工尺寸要求，從最大程度上提升材料利用率，減少材料浪費問題，對應(yīng)可加工材料涵蓋各種金屬和塑料。3D打印技術(shù)和常規(guī)制造工藝相比，對應(yīng)設(shè)計制造周期相對較短，同時適合某些無法通過常規(guī)技術(shù)制造生產(chǎn)的零部件。

3D打印技術(shù)具體操作原理類似于傳統(tǒng)打印技術(shù)原理。傳統(tǒng)打印處理主要是借助打印機將墨水直接在布或紙等平面中進行噴涂處理，最終構(gòu)成二維圖像。3D打印技術(shù)需要率先把所采集物品三維信息數(shù)據(jù)以及三維設(shè)計圖紙轉(zhuǎn)化成系列數(shù)據(jù)，隨后通過打印機進行逐層分切，對分切中的不同結(jié)構(gòu)層實施按層打印。3D打印技術(shù)借助物理層連續(xù)疊加，逐層添加材料形成三維實體，不同于傳統(tǒng)模式下去除材料加工方法，所以被稱作是增材制造工藝，是綜合性技術(shù)工藝。3D打印技術(shù)進一步融合了化學(xué)、材料科學(xué)、信息技術(shù)、機電控制技術(shù)以及數(shù)字建模等技術(shù)，匯聚各種前沿技術(shù)知識，整體技術(shù)含量較高。3D打印機是3D打印技術(shù)中的核心裝置，其屬于一種匯集計算機、控制和機械技術(shù)為一體的機電系統(tǒng)，包括成型環(huán)境、噴射系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、高精度機械系統(tǒng)等部分組成。除此之外，控制軟件、設(shè)計軟件、打印工藝、新型打印材料也是3D打印技術(shù)中的重要組成內(nèi)容。隨著3D打印技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，相繼形成了數(shù)十種成型方法，普遍可以將其分成兩種形式，第一種是以激光技術(shù)為基礎(chǔ)的成型方法，像是紙疊層、立體光刻、選擇性激光熔化以及選擇性激光燒結(jié)等。第二種是非激光技術(shù)為基礎(chǔ)的快速成型方法，像是實體磨削固化、沖擊微粒制造、掩膜光固化、三維打印以及熔絲沉積等技術(shù)。隨著各個國家的大力支持，使3D打印技術(shù)越加成熟，對應(yīng)打印加工精度和選用材料也得到明顯提升。打印速度相繼加快，通過高分辨率進行打印，平均每小時打印加工的垂直高度超出1英寸。

2.3D打印技術(shù)流程分析

2.1 三維建模

3D打印技術(shù)處理中，需要充分利用設(shè)計產(chǎn)品對應(yīng)3D數(shù)據(jù)，通過分層疊加成型的方法進行打印加工，具體工藝流程可以細分為三維建模、數(shù)據(jù)分割、打印加工以及后續(xù)處理4種環(huán)節(jié)。三維建模階段中，該項操作屬于3D打印加工生產(chǎn)基礎(chǔ)，開始實施打印加工前，應(yīng)該通過三維軟件針對制作產(chǎn)品實施綜合建模，所以3D打印離不開計算機輔助參與設(shè)計工作。實際建模中可以借助SolidWorks、Pro/E、AutoCAD等核心軟件幫助設(shè)計成型，其中應(yīng)該注意在實施建模操作中保障相關(guān)產(chǎn)品尺寸的準(zhǔn)確性，打印機產(chǎn)品綜合生產(chǎn)制造過程應(yīng)該嚴(yán)格按照各種信息數(shù)據(jù)對產(chǎn)品制作外形進行合理控制。

2.2 數(shù)據(jù)分割

結(jié)束三維建模工作后，打印機可以進一步把三維數(shù)據(jù)分割成二維信息數(shù)據(jù)，隨后把整體三維模型順著水平面進行切割，劃分成不同數(shù)量二維薄片，對應(yīng)各個薄片自動生成平面尺寸信息。該種操作主要是在打印機內(nèi)部進行操作，所切割的薄片數(shù)量通過打印機裝置以及所用材料所決定，從理論層面分析，隨著分割層數(shù)持續(xù)增加以及薄片數(shù)量增長，對應(yīng)打印產(chǎn)品尺寸和原始設(shè)計數(shù)據(jù)更加接近。

2.3 打印

打印制造中能夠看到噴灑材料制成二維圖形，整個操作過程像是噴墨打印機，其中存在某種差異的是噴墨打印機主要是逐行噴繪圖案，至于3D打印技術(shù)則是在結(jié)束首層噴繪處理后，以此為基礎(chǔ)實施二層噴繪處理，整個數(shù)據(jù)分割過程所形成的薄片數(shù)量則需要實施對應(yīng)層數(shù)噴繪處理。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，3D打印技術(shù)本質(zhì)上是借助材料厚度通過逐層堆積構(gòu)成某種三維產(chǎn)品，不同層間融合可以借助噴嘴噴灑膠水實施粘結(jié)處理，打印過程便是噴灑一層粉末材料后，繼續(xù)噴灑一層膠水。

2.4 后處理

初步打印好三維產(chǎn)品后，還需要采取一系列的處理措施才能順利應(yīng)用，促進產(chǎn)品成功出廠。處理工藝可以分為上色、修整、固化以及剝離等環(huán)節(jié)。該種類型設(shè)備在實際運行中普遍會在產(chǎn)品底層噴灑相應(yīng)高度底座，隨后以此為基礎(chǔ)正式打印產(chǎn)品，該種操作方法主要優(yōu)勢便是能夠合理控制產(chǎn)品底座和工作臺接觸，預(yù)防剝離過程中所形成的意外損傷，所以在結(jié)束打印工作后，只需直接拆卸整個底座，對產(chǎn)品剝離進行細致檢查即可。針對某些材料加工產(chǎn)品，還應(yīng)該額外實施光固化操作，固化處理后進行上色以及細節(jié)調(diào)整等工作，便能夠促進整個打印過程順利完成。

3.3D打印技術(shù)分類

3.1 選區(qū)激光熔化

3D打印技術(shù)中的主要實施方法之一便是選區(qū)激光熔化，該種技術(shù)是在粉床選區(qū)相關(guān)激光燒結(jié)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展形成的，把金屬粉末當(dāng)成主要加工材料，通過高能密度激光束，對金屬基板中所鋪灑的粉末進行逐層熔覆堆積，最終成功制造成品金屬零件。系統(tǒng)SLM設(shè)備裝置涵蓋零件成型模塊、粉末存儲模塊、粉末碾壓模塊、激光陣鏡、激光器等部分組成。SLM快速成型相關(guān)技術(shù)原理如下，借助切片技術(shù)對連續(xù)三維CAD數(shù)模實施離散處理，發(fā)展成擁有一定厚度和按順序分層切片。對各層切片形成輪廓進行有效提取，按照切片外部輪廓優(yōu)化設(shè)計激光掃描器操作路徑，合理確定激光掃描運行速度，明確激光掃描強度，同時把各種操作過程轉(zhuǎn)化為計算機系統(tǒng)中的數(shù)字化控制流程。對激光熔化沉積腔進行抽真空處理，隨后按照一定標(biāo)準(zhǔn)壓力填充相應(yīng)的惰性保護氣體，避免粉末熔化中產(chǎn)生氧化問題。計算機控制對應(yīng)升降系統(tǒng)進行上升操作中，相關(guān)粉末碾輪可以從粉末存儲模塊中將粉末直接推入零件成型處理工作臺對應(yīng)基板中，隨后在計算機發(fā)出的操作指明下，控制激光器設(shè)備按照提前設(shè)置好的掃描流程實施全面掃描制作，將基板中所鋪灑是各種粉末全部熔化，通過熔覆處理形成和對應(yīng)層尺寸、形狀相同的熔覆層。上移粉末儲存室，對應(yīng)零件成型室進行下移，大概移動一個切片厚度，隨后對上述流程進行重復(fù)操作，通過不斷地逐層熔覆和堆積，到最終形成符合CAD模型設(shè)計構(gòu)件[1]。

3.2 電子束選區(qū)熔化

電子束選區(qū)相關(guān)熔化技術(shù)具體操作原理類似于SLM技術(shù)的加工成型操作原理。對應(yīng)操作原理主要是借助電子束針對各種絲材以及金屬粉末實施逐層熔化，以及凝固堆積，直接加工生產(chǎn)出致密性金屬零件，其中主要差異便是熱源不同。EBSM在實際操作中主要把電子束當(dāng)成主要熱源，EBSM相關(guān)3D打印技術(shù)在實際應(yīng)用中具有更高的能量利用率，同時功率密度相對較高，沒有反射，聚焦方便，種種優(yōu)勢下進一步擴大了相關(guān)技術(shù)推廣應(yīng)用。EBSM技術(shù)進行加工處理中，主要把金屬粉末當(dāng)成基礎(chǔ)原材料，相關(guān)應(yīng)用范圍十分廣泛，特別是針對各種存在較大加工難度以及難以熔解的材料加工中具有突出作用，涵蓋鎳合金、鈷鉻合金、不銹鋼、鈦基金屬化合物、鈦合金等。對應(yīng)制品具有較高復(fù)雜性，能夠提升成品綜合力學(xué)性能。該項技術(shù)同時適用于發(fā)動機以及航空飛行器中的多聯(lián)葉片、散熱器、機匣、吊耳、支座等結(jié)構(gòu)部件。

3.3 激光凈成型

激光工程凈成型屬于快速成型制造新型技術(shù)，此類快速成型技術(shù)可以在全面融合激光熔覆技術(shù)以及選擇性激光燒結(jié)技術(shù)基礎(chǔ)上，可以準(zhǔn)確、快速得到高強度以及高致密度的金屬元件。選擇性激光燒結(jié)相關(guān)操作技術(shù)原理如下，通過計算機系統(tǒng)中的CAD軟件制作零件CAD實體模型，同時對實體模型進行離散處理，生成STL文件，借助切片軟件對STL文件進行準(zhǔn)確讀取，對零件進行合理切割，形成系列薄層，隨后對各層進行合理掃描，形成掃描運行軌跡。將金屬粉末逐層鋪灑在活塞工作平臺當(dāng)中，通過各層掃描軌跡對激光束移動操作進行有效控制，實施金屬粉末掃描燒結(jié)，構(gòu)成滿足設(shè)計形狀要求的金屬元件。激光工程相關(guān)凈化技術(shù)普遍適用于成型金屬制造注射模型、大型金屬零件、修復(fù)模具以及大尺寸薄壁形狀結(jié)構(gòu)零件設(shè)計生產(chǎn)，同時能夠幫助對各種活性金屬進行有效加工，比如鈦、鎢、錸、鎳、鉭以及各種特殊性金屬材料[2]。

4.消防裝備領(lǐng)域中3D技術(shù)的有效應(yīng)用

4.1 核心部件修復(fù)

對于國內(nèi)的各種進口消防車，相關(guān)配件出現(xiàn)損壞，需要替換的條件下普遍是從國外進口，配件采購時間較長，價格高昂。為此消防機構(gòu)相關(guān)裝備維修中心應(yīng)該積極迎合維修技術(shù)前沿領(lǐng)域，合理使用3D打印技術(shù)對消防車各種配件進行合理制造生產(chǎn)，創(chuàng)建3D打印中心，借助3D打印技術(shù)對消防車裝置進行有效維修，提供基礎(chǔ)保障，支持消防車各種零件配置。消防設(shè)施維修領(lǐng)域中對于3D打印技術(shù)的應(yīng)用需要以各種數(shù)字模型作為基礎(chǔ)參考，通過絲狀粘合材料，借助逐層打印措施打造非關(guān)鍵部位構(gòu)件，利用三維掃描裝置掃描各種非核心部位實物。通過計算機信息技術(shù)實施軟件建模，聯(lián)系三維掃描裝置所得到的信息數(shù)據(jù)實施合理建模，隨后對所創(chuàng)建三維模型進行合理區(qū)分，構(gòu)建逐層截面。3D打印技術(shù)在對數(shù)據(jù)系統(tǒng)內(nèi)不同截面信息進行讀取采集同時，借助絲狀材料逐層打印截面，利用特定方法粘合不同層次截面，創(chuàng)造出統(tǒng)一實體。在成功打印不同零部件后，或許可以利用超聲波清洗劑進行全面上色、打磨和清洗等處理，最后應(yīng)用到維修作用當(dāng)中。

我國某個省市中的消防總隊裝備維修機構(gòu)成功研發(fā)出某個型號進口消防車前霧燈邊框，能夠用于維修作業(yè)實際操作當(dāng)中，有效減少維修時間，節(jié)約維修費用，得到了突出的維修效果。維修中心借助3D打印技術(shù)可以進行靈活生產(chǎn)，具有快速成型和方便裝配等優(yōu)勢，可以進一步提高相關(guān)裝置中各種非關(guān)鍵零件的生產(chǎn)效率，優(yōu)化整個供應(yīng)鏈生產(chǎn)，幫助減少對應(yīng)配件采購成本。針對不同組成配件創(chuàng)建完善的制造流程和設(shè)計系統(tǒng)[3]。

4.2 裝備設(shè)計研發(fā)

消防裝備相關(guān)研發(fā)人員在設(shè)計研發(fā)新型消防裝備過程中，初期設(shè)計構(gòu)思較為簡單，但主要難在將設(shè)計思路轉(zhuǎn)化為實物的生產(chǎn)加工過程，制造實體設(shè)備樣機方面存在一定難度，主要原因是現(xiàn)有加工制造方法不能充分滿足各種異形零件的加工需求，同時加工生產(chǎn)中需要投入較高成本，生產(chǎn)周期相對較長。美國某一地區(qū)通過3D打印技術(shù)為消防機構(gòu)研發(fā)制造出一種遙控操縱的抓鉤設(shè)備，此設(shè)備能夠設(shè)置在四軸飛行器中，用來進行救援和搜索。最開始設(shè)計的抓鉤形式類似于商場中玩具抓機中的爪狀結(jié)構(gòu)，通過開關(guān)來控制和移動物體。后期，基于迭代設(shè)計基礎(chǔ)上，額外增加各種創(chuàng)新設(shè)計，能夠應(yīng)用到各種救援設(shè)備和搜索設(shè)備當(dāng)中，能夠順利傳送水、醫(yī)療用品、手機以及對講機等物品到救援人員無法抵達的區(qū)域內(nèi)。因為設(shè)計對象主要是各種非通用產(chǎn)品，普遍無法及時找到可以滿足實際需求的零件成品，因此借助CAD軟件實施自主設(shè)計，和打印制造。

4.3 消防展品生產(chǎn)

針對消防設(shè)備展品進行制造方面，合理應(yīng)用3D打印技術(shù)能夠提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率。在實施消防教育科普活動中，普遍會遇到以下問題，即針對某種消防裝備產(chǎn)品單純通過語言描述普遍無法準(zhǔn)確表達出來，假如可以直接展示出消防裝備實體，能夠提升整個展示效果的生動性和直觀性。而消防產(chǎn)品通常體型和占據(jù)空間面積相對較大，攜帶困難。假如應(yīng)用3D打印技術(shù)能夠按照一定比例將消防裝備進行縮小打印，方便后期攜帶展示。

5.結(jié)語

通過分析當(dāng)下消防裝備領(lǐng)域?qū)τ?D打印技術(shù)的實際應(yīng)用狀況可以發(fā)現(xiàn)，此項技術(shù)在該領(lǐng)域中的應(yīng)用依然存在一定不足。除此之外，消防裝備產(chǎn)業(yè)對于3D打印技術(shù)缺少正確認(rèn)識，重視性不足。而3D打印技術(shù)作為先進的生產(chǎn)制造技術(shù)，能夠輔助進行消防設(shè)備的研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)和維修工作，提升消防裝備整體生產(chǎn)效率。