3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)研究

馬忠波

（甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100）

近年來，3D打印技術(shù)水平持續(xù)上升，3D打印技術(shù)已成為全世界重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)之一，各國(guó)對(duì)3D打印技術(shù)的研究不斷深入，提高了技術(shù)的成熟性、打印效率和準(zhǔn)確度。3D打印技術(shù)的工作原理為離散/堆積原理，通過不斷累積材料的方式來完成制造，使用計(jì)算機(jī)將零件3D模型進(jìn)行切割，將其切割成為薄片，按照自下而上的原則疊加薄片，最終堆積成為實(shí)體零件。3D打印技術(shù)不需要使用刀具或者模具，所需要的成本較少，符合現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展理念，可以在短時(shí)間內(nèi)完成批量打印，滿足人們的打印需求。3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以制造出結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的零件，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝形式無法達(dá)到的打印效果，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程，加快了制造速度，是未來所重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)類型。

1 3D打印技術(shù)闡述

1.1 3D打印技術(shù)原理

普通打印機(jī)能夠根據(jù)電腦的設(shè)計(jì)完成物品打印，所打印出的物品均為平面的狀態(tài)。3D打印技術(shù)的工作原理和日常生活中所使用的多數(shù)打印機(jī)相同，區(qū)別在于所使用的打印材料有所差異，普通打印機(jī)使用墨水、紙完成打印，3D打印技術(shù)是使用金屬材料、陶瓷材料、塑料材料等進(jìn)行打印。將3D打印機(jī)和計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，利用電腦對(duì)材料進(jìn)行控制，將不同材料堆疊之后可以將計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)體物品。3D打印技術(shù)的使用為我國(guó)制造行業(yè)的發(fā)展帶來了新的動(dòng)力，可以完成復(fù)雜零件的制造和打印，簡(jiǎn)化零件制作流程，提高零件生產(chǎn)制作效率。

1.2 3D打印技術(shù)打印過程

1.2.1 三維設(shè)計(jì)

在進(jìn)行三維設(shè)計(jì)的時(shí)候需要先利用計(jì)算機(jī)的相關(guān)軟件完成建模，對(duì)構(gòu)建完畢的三維模型進(jìn)行切片處理，從而為打印機(jī)的打印作業(yè)提供指導(dǎo)。設(shè)計(jì)軟件以及3D打印機(jī)在共同協(xié)作時(shí)所使用的標(biāo)準(zhǔn)文件格式為STL，是一種利用三角面對(duì)物體表面進(jìn)行模擬的文件格式，其中三角面的大小和表面分辨率之間的關(guān)系為反比關(guān)系。

1.2.2 切片處理

打印機(jī)對(duì)文件中的橫截面信息進(jìn)行讀取，使用液體狀材料、片狀材料和粉狀材料將截面進(jìn)行打印，之后利用相應(yīng)的方式和手段將截面進(jìn)行粘合，構(gòu)造出物品實(shí)體。基于這一工作原理可以制造出任何形狀的產(chǎn)品。傳統(tǒng)的制造方法多為注塑法，所需要的成本較少，能夠獲得較多的聚合物產(chǎn)品，而3D打印技術(shù)的出現(xiàn)可以在更短的時(shí)間內(nèi)以更低的成本完成產(chǎn)品制造。傳統(tǒng)制造技術(shù)下需要花費(fèi)數(shù)個(gè)小時(shí)或者數(shù)天的時(shí)間完成模型制造，而3D打印技術(shù)則能夠在短短幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完成打印[1]。

1.2.3 完成打印

3D打印機(jī)的分辨率可以滿足多種情況下的應(yīng)用需求，但是如果表面較為彎曲則分辨率較低，存在粗糙的現(xiàn)象。要想提高分辨率可以使用3D打印技術(shù)打印體積較大的物品，對(duì)物品表面實(shí)施打磨處理之后則可以提高表面的光滑度和分辨率。不同類型的3D打印技術(shù)所具備的特點(diǎn)不同，部分技術(shù)可以在同一時(shí)間使用多種不同材料完成打印，部分技術(shù)在打印作業(yè)時(shí)使用支撐物，為了能夠減輕后期的作業(yè)難度，需要選擇可溶性材料作為支撐物。

1.3 3D打印技術(shù)類型

1.3.1 熔融沉積成形技術(shù)

熔融沉積成形技術(shù)所使用的原料多數(shù)為PLA材料或者ABS材料，是一種具有熱塑性的絲狀材料。在使用該技術(shù)時(shí)會(huì)利用加工頭的加熱積壓作用完成制造，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制下將熱塑性材料進(jìn)行堆積，最后可以獲得成形的立體化零件。熔融沉積成形技術(shù)應(yīng)用最為普遍，具有較高的成熟度，成本較低，并且還可以完成彩色打印。

1.3.2 分層實(shí)體制造技術(shù)

分層實(shí)體制造技術(shù)的制作原料為薄片狀的材料，例如金屬箔或者塑料薄膜等都是較為常用的原材料。在使用該技術(shù)時(shí)會(huì)在薄片材料的上方涂抹熱熔膠，按照不同截面的具體形狀完成切割處理、粘貼處理，從而形成立體化的零件。分層實(shí)體制造技術(shù)的打印速度較快，能夠制作個(gè)別尺寸較大的零件，但是在生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)材料浪費(fèi)的問題，并且物品表面的質(zhì)量和其他技術(shù)制造出來的產(chǎn)品相比較差[2]。

1.3.3 光固化立體成形技術(shù)

光固化立體成形技術(shù)是可以對(duì)液態(tài)原料實(shí)施固化處理，并將固化材料進(jìn)行堆積之后成形的技術(shù)。固化處理過程中所使用的技術(shù)為紫外線激光，對(duì)環(huán)氧樹脂這一類液態(tài)的光敏聚合物材料進(jìn)行掃描，充分利用材料所具備的特點(diǎn)。光固化立體成形技術(shù)可以生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件，生產(chǎn)精度高，可以提升材料利用效率，但是并不適用于常見的材料，在進(jìn)行制造的過程中所需要投入的成本過高。

1.3.4 激光選區(qū)熔化技術(shù)

激光和電子束選區(qū)熔化技術(shù)的工作原理較為相似，兩種技術(shù)都是以粉末床為基礎(chǔ)的鋪粉成形技術(shù)，兩種技術(shù)的熱源有所不同。激光選區(qū)熔化技術(shù)的熱源為激光束，該種技術(shù)難以制造出尺寸過大的零件，但是可以滿足復(fù)雜零件的制作需求，生產(chǎn)出的零件質(zhì)量高、表面光滑。

1.3.5 金屬激光熔融沉積技術(shù)

金屬激光熔融沉積技術(shù)也是一種將激光束作為熱源的3D打印技術(shù)，使用自動(dòng)送粉的方式完成金屬粉末同步處理，可以將金屬粉末更加精準(zhǔn)地送入到熔池之中。激光斑點(diǎn)在移動(dòng)的過程中會(huì)讓金屬粉末持續(xù)進(jìn)入熔池，在進(jìn)入熔池之后金屬粉末會(huì)經(jīng)歷熔化到凝固的過程，最后可以形成所需要的零件形狀。金屬激光熔融沉積技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可以制造出尺寸較大的零件，但是只能適用于內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的零件生產(chǎn)作業(yè)中，無法生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。

1.3.6 電子束選區(qū)熔化技術(shù)

電子束選區(qū)熔化技術(shù)的熱源為電子束，成形材料多數(shù)為金屬粉末，在使用該技術(shù)時(shí)需要處于真空環(huán)境[3]。該技術(shù)使用時(shí)會(huì)使用電子束對(duì)金屬粉末實(shí)施掃描熔化處理，讓不同的小熔池進(jìn)行熔合，在其凝固之后可以形成零件實(shí)體。電子束選區(qū)熔化技術(shù)所生產(chǎn)出的零件性能水平較高，但是零件的尺寸會(huì)受到一定因素的限制，例如粉末床因素或者真空室因素。

1.3.7 電子束熔絲沉積成形技術(shù)

電子束熔絲沉積成形技術(shù)同時(shí)也被稱為自由成形制造技術(shù)，所處的作業(yè)環(huán)境、熱源均和電子束選區(qū)熔化技術(shù)相同，但是所使用的成形材料為金屬絲材。利用送絲裝置可以把金屬絲不斷地送進(jìn)熔池內(nèi)部，使得金屬絲可以按照原有的軌跡持續(xù)運(yùn)動(dòng)，一直到形成目標(biāo)零件或者目標(biāo)毛坯為止。以電子束為熱源的熔絲沉積成形技術(shù)工作效率極高，零件質(zhì)量較好，內(nèi)部構(gòu)造精確度高，但是成形質(zhì)量較差，表面質(zhì)量也較為粗糙，并且無法對(duì)塑性差的原材料進(jìn)行處理和加工[4]。

2 3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀

當(dāng)前3D打印技術(shù)發(fā)展速度不斷加快，所能使用的材料類型不斷增加，能夠制造出越來越復(fù)雜的零件類型，零件質(zhì)量和精度有所上升。國(guó)內(nèi)和國(guó)外對(duì)于3D打印技術(shù)的研究重視度都不斷提高，因此，研究逐漸深入，具體研究現(xiàn)狀如下。

2.1 國(guó)外3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀

1990年，美國(guó)開始重視發(fā)展激光熔融沉積成形技術(shù)，相關(guān)高校和企業(yè)重點(diǎn)針對(duì)鈦合金3D打印技術(shù)實(shí)施研究，開發(fā)了鈦合金柔性制造技術(shù)。通過該技術(shù)打印了多種不同類型的飛機(jī)零件，如接頭部件、推力拉梁部件等。同時(shí)期德國(guó)開始使用激光選區(qū)熔化技術(shù)，于21世紀(jì)初期研發(fā)成功，依據(jù)此技術(shù)開發(fā)出SLM設(shè)備，多家高校在大型航空企業(yè)的資金支持下對(duì)SLM材料的特點(diǎn)、缺陷等進(jìn)行了研究。2012年，SLM技術(shù)應(yīng)用范圍有所增加，國(guó)外電氣航空集團(tuán)收購(gòu)了3D打印企業(yè)，使用激光選區(qū)熔化技術(shù)打印出了燃油噴嘴，為噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)制造提供了重要的零部件支持。SLM技術(shù)也開始被應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)，國(guó)外開始使用該技術(shù)制作出可摘除式局部義齒，或者以不銹鋼為原材料的固定橋。1990年，瑞典高校和企業(yè)共同合作開發(fā)了電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)，企業(yè)隨后在市場(chǎng)上推出了電子束選區(qū)熔化成形設(shè)備和產(chǎn)品，為廣大工廠以及研究機(jī)構(gòu)提供了重要的支持。電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)在航空航天領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域均有著廣泛應(yīng)用，例如，醫(yī)療行業(yè)開始使用該種技術(shù)進(jìn)行顱骨打印、股骨柄打印和髖臼杯打印，可以在短時(shí)間內(nèi)獲取骨科所需要的植入物，為骨科研究、醫(yī)療活動(dòng)的開展提供了豐富的資源。在航空航天領(lǐng)域中，該技術(shù)的應(yīng)用也較為廣泛，并且各個(gè)企業(yè)開始利用電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)制造發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的復(fù)雜零件，其中，意大利企業(yè)制備出了TiA1基合金發(fā)動(dòng)葉片，為航空零件制造行業(yè)的發(fā)展提供了重要助力。

3D打印技術(shù)具備多種優(yōu)勢(shì)，未來市場(chǎng)發(fā)展前景較為廣闊，各個(gè)國(guó)家都開始加大在3D打印技術(shù)研究方面的成本投入。美國(guó)、英國(guó)都先后根據(jù)3D打印技術(shù)發(fā)展情況設(shè)定了相應(yīng)的研究中心，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也逐漸得到完善，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了新的助力。2014年，日本推動(dòng)了以3D打印技術(shù)為內(nèi)核的制造革命進(jìn)程，對(duì)3D打印設(shè)備、系統(tǒng)、零件等多個(gè)方面進(jìn)行研究，加快了3D打印技術(shù)發(fā)展速度[5]。

2.2 國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀

我國(guó)3D打印技術(shù)的研究時(shí)間和世界其他國(guó)家相同，并且近年來陸續(xù)成立了各種負(fù)責(zé)該技術(shù)研究的單位和機(jī)構(gòu)，取得了較好的研究成果，在國(guó)際上處于較為領(lǐng)先的位置。最初，國(guó)內(nèi)多個(gè)高校針對(duì)激光快速成形技術(shù)展開了研究，并形成了以該技術(shù)為核心的成形系統(tǒng)，選擇了多種不同類型的金屬材料進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)。例如，西北工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)使用該技術(shù)打印出了飛機(jī)鈦合金左上緣條，零件的最大尺寸為3 m，重量達(dá)到了196 kg。華中科技大學(xué)針對(duì)激光選區(qū)熔化技術(shù)和激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行了研究，針對(duì)高分子和金屬材料展開了3D打印研究，開發(fā)了SLM設(shè)備，能夠?qū)饘俜勰┻M(jìn)行加工，并且還研發(fā)出了快速3D測(cè)量技術(shù)和測(cè)量裝置。西安交通大學(xué)使用3D打印技術(shù)完成了骨科領(lǐng)域中的修復(fù)作業(yè)，使得3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有了更加深入的應(yīng)用。清華大學(xué)也研究出了使用ABS、蠟等材料完成制造的FDM工藝，在3D打印材料的研發(fā)工作中有著較好的應(yīng)用效果。目前，國(guó)內(nèi)的3D打印技術(shù)研究單位多數(shù)為高校，并以高校為核心構(gòu)建了研究中心，對(duì)于3D打印技術(shù)的研究深度有所增加，為3D打印技術(shù)在我國(guó)國(guó)內(nèi)的應(yīng)用提供了重要支撐。

隨著國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)研究水平的不斷提高，借助有關(guān)于3D打印技術(shù)的研究成果加之政府的大力扶持，國(guó)內(nèi)成立了大量的3D打印設(shè)備企業(yè)和相關(guān)服務(wù)企業(yè)，加快了3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化速度，開拓了小型市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)企業(yè)創(chuàng)新能力不斷提升，自主研發(fā)出了有關(guān)于3D打印技術(shù)的核心科學(xué)技術(shù)，2015年，我國(guó)相關(guān)市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到50億美元左右，和2014年相比市場(chǎng)效益增加約一倍。近年來，3D打印技術(shù)市場(chǎng)的發(fā)展速度不斷加快，市場(chǎng)規(guī)模也不斷擴(kuò)大。3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍也有所增加，在多個(gè)領(lǐng)域中均有著較為廣泛的應(yīng)用，但是3D打印技術(shù)仍然存在一定的局限性，成形后的零件會(huì)出現(xiàn)變形或者節(jié)點(diǎn)開裂的問題，并且零件的邊角部位容易出現(xiàn)翹曲的問題。為此，國(guó)內(nèi)針對(duì)激光成形技術(shù)進(jìn)行了研究，攻克了相關(guān)的難題，為航空航天領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展提供了重要支撐，制作出了各種高質(zhì)量的零部件。

3 3D打印技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 加強(qiáng)3D打印粉末質(zhì)量以及獲得率

3D打印質(zhì)量會(huì)受到多種因素的影響，包括球形度因素、流動(dòng)性水平、粉末粒度大小等。例如，在3D打印技術(shù)應(yīng)用過程中可以使用數(shù)十微米到幾百微米的粉末，其中，粒度小的粉末可以被應(yīng)用在精細(xì)零件的生產(chǎn)制造過程中，粒度大粉末則可以應(yīng)用在尺寸大、加工余量大的零件制造過程中。如果粉末粒度在40微米之下，送粉作業(yè)會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的問題，難以使零件成形；如果粉末粒度較大，則設(shè)備使用功率需要增加，而如果熱輸入過量，則會(huì)對(duì)材料的力學(xué)性能水平造成影響。

3.2 構(gòu)建3D打印零件無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

為了能夠提高3D打印零件的質(zhì)量，需要對(duì)成型的零件進(jìn)行無損檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)零件上是否存在氣孔或者裂紋[6]。無損檢測(cè)不會(huì)給零件造成損傷，因此，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)研發(fā)出系統(tǒng)性的無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，能夠在零件檢測(cè)過程中合理使用無損手段完成零件檢測(cè)，保證能夠?qū)α慵馁|(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，為后續(xù)3D打印技術(shù)的研究提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)需要明確無損檢測(cè)方法、檢測(cè)設(shè)備、檢測(cè)工藝，根據(jù)不同3D打印技術(shù)的特點(diǎn)構(gòu)建完善的缺陷控制體系。

3.3 提高3D打印設(shè)備的能力

3D打印設(shè)備能力會(huì)影響到3D打印技術(shù)的應(yīng)用效果，需要不斷強(qiáng)化該設(shè)備的能力。以激光熔融沉積成形技術(shù)為例，需要對(duì)送粉器進(jìn)行改進(jìn)，提升送粉穩(wěn)定性水平及送粉精確度水平，避免由于不穩(wěn)定的問題而給零件打印質(zhì)量造成不良的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

3D打印技術(shù)在當(dāng)前制造行業(yè)內(nèi)屬于一種重要的制造技術(shù)，為材料制造和結(jié)構(gòu)構(gòu)建提供了新的手段，可以為傳統(tǒng)制造提供有效補(bǔ)充，改變傳統(tǒng)制造工作存在的局限性。3D打印技術(shù)適合于不同類型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件制作需求，生產(chǎn)流程較短，可以充分發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的想象力，讓無法實(shí)現(xiàn)的構(gòu)造理念轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。3D打印技術(shù)包括熔融沉積成形技術(shù)、分層實(shí)體制造技術(shù)、光固化立體成形技術(shù)、激光選區(qū)熔化技術(shù)、金屬激光熔融沉積技術(shù)、電子束選區(qū)熔化技術(shù)、電子束熔絲沉積成形技術(shù)。3D打印技術(shù)具有一定的局限性，例如，以熔化金屬為基礎(chǔ)的打印技術(shù)適用于具有較好塑性的金屬材料，所以需要針對(duì)3D打印技術(shù)進(jìn)行更加深入的研究。3D打印技術(shù)需要技術(shù)積累的過程，應(yīng)當(dāng)在長(zhǎng)期研究過程中不斷解決該技術(shù)所存在的問題，提升3D打印技術(shù)的應(yīng)用廣度和應(yīng)用深度。