3D打印技術(shù)過程控制問題研究進(jìn)展

董夢(mèng)瑩

（江蘇省徐州技師學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

引言

3D打印技術(shù)這一新興技術(shù)的出現(xiàn)、發(fā)展，并快速應(yīng)用于零部件的生產(chǎn)，引起各國(guó)的重視，并加大在3D打印技術(shù)上的研究投入。3D打印技術(shù)相較于傳統(tǒng)的零部件制造，有著極高的效率與精準(zhǔn)性，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，不需要使用任何模具，也不需要使用刀具進(jìn)行切割，降低了成本，符合現(xiàn)階段社會(huì)發(fā)展的需求，有著廣闊的應(yīng)用前景。3D打印技術(shù)可以生產(chǎn)各種復(fù)雜的零部件，在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)加快了生產(chǎn)的速度與準(zhǔn)確性，有利于現(xiàn)代化建設(shè)。

1 3D打印技術(shù)原理

3D打印技術(shù)原理可以分為三個(gè)方面。一是軟件建模，利用CAD與PE等各種建模軟件可以設(shè)計(jì)出大部分零部件，3D打印技術(shù)很大程度上依靠于計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，3D建模的質(zhì)量也變得越來越精細(xì)。二是3D模型的分層，其原理為將三維物體的數(shù)據(jù)通過信息化技術(shù)轉(zhuǎn)化為二維的數(shù)據(jù)，3D打印技術(shù)可以對(duì)一個(gè)完整的三維模型進(jìn)行多個(gè)層次的劃分與切割，并將其以二維數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行記錄、設(shè)計(jì)。在實(shí)際的3D打印過程中，對(duì)一個(gè)完整的三維模型劃分與切割的層次越多，所打造出的零部件尺寸準(zhǔn)確度就越高，越接近于原始的零部件數(shù)據(jù)。在實(shí)際打印過程中，不僅要重視打印機(jī)設(shè)備，同時(shí)也要重視打印的材料。三是模型打印，3D打印技術(shù)可以對(duì)三維物體每一個(gè)分層的信息讀取、采集，可以有效地將液體、凝膠狀、粉末狀的材料甚至是生物活性細(xì)胞組織進(jìn)行不同方式的結(jié)合，通過3D打印進(jìn)行不同分層的積累，最終形成完整的零部件產(chǎn)品[1]。

2 3D打印技術(shù)的分類

3D打印技術(shù)多種多樣，如今人們已經(jīng)掌握了3D打印的技術(shù)方法，3D打印技術(shù)也更加成熟。雖然不同的3D打印技術(shù)之間存在著較大的差異，但是最終所生產(chǎn)的零部件成品是一樣的。

2.1 熔融沉積成形技術(shù)

熔融沉積成形技術(shù)主要是利用各種熱塑性的材料，通過不斷提高溫度并大力擠壓，運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，將這些熱塑性材料進(jìn)行層層堆積，最終得到完整的零部件。這種熔融沉積成形技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的3D打印技術(shù)，可以有效降低成本，并且可以進(jìn)行彩色打印。

2.2 光固化立體成形技術(shù)

光固化立體成形技術(shù)主要利用紫外激光對(duì)三維的液體進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)對(duì)液體材料的3D打印，通過層層堆疊的方式，可以將原本復(fù)雜的液體零部件簡(jiǎn)單化，并且可以有效提高零部件的精度，對(duì)打印的材料也可以進(jìn)行重復(fù)利用。主要缺點(diǎn)是成本過高，無法形成大規(guī)模的工業(yè)化利用[2]。

2.3 分層實(shí)體制造技術(shù)

分層實(shí)體制造技術(shù)利用的原材料是一種薄片材料，在材料的表面涂上熱熔膠，然后利用計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)對(duì)每層進(jìn)行切割、組裝，最終實(shí)現(xiàn)零部件的打印，這種技術(shù)可以快速打印出大尺寸的零件。但是，會(huì)造成大量的原材料浪費(fèi)，而且最終零部件成品表面會(huì)出現(xiàn)大面積的粗糙現(xiàn)象。

2.4 電子束選區(qū)熔化技術(shù)

電子束選區(qū)熔化技術(shù)是在真空環(huán)境下進(jìn)行，利用電子束將金屬粉末打印成型的技術(shù)。一個(gè)個(gè)細(xì)小的金屬粉末熔池中相互融合并凝固，最終形成一個(gè)完整的三維立體零部件。

2.5 激光選區(qū)熔化技術(shù)

激光選區(qū)熔化技術(shù)也是一種利用熱源將金屬粉末打印成型的技術(shù)。但是，在實(shí)際操作過程中，通過激光束的熱量打印出更為復(fù)雜且性能優(yōu)異、表面光滑的零部件，缺點(diǎn)是無法打印出大尺寸的零部件[3]。

2.6 金屬激光熔融沉積技術(shù)

金屬激光熔融沉積技術(shù)利用激光束將金屬粉末輸入到激光成型表面的熔池中，通過不斷地移動(dòng)激光束、更加精確地將金屬粉末進(jìn)行熔融和凝固，最終獲得一個(gè)特殊的零件形態(tài)。這種金屬激光熔融沉積的技術(shù)雖然能夠打印較大尺寸的零件，但是不能打印較為復(fù)雜的零件。

2.7 電子束熔絲沉積成形技術(shù)

電子束熔絲沉積成形技術(shù)指的是在真空的環(huán)境中，利用電子束作為熱源，將金屬絲材作為原材料，按照特定的軌跡，直接制造出零部件的毛坯。這種技術(shù)可以高效地制造出零部件。最終成型的零部件可以保證內(nèi)部質(zhì)量，但是，對(duì)于外表面以及最終的成型狀態(tài)較差，且無法應(yīng)用于塑性較差的材料。

3 3D打印技術(shù)控制系統(tǒng)分析

3.1 光聚合成型技術(shù)的控制系統(tǒng)分析

最早的3D打印技術(shù)控制系統(tǒng)是光聚合成型控制系統(tǒng)，這種3D打印技術(shù)控制系統(tǒng)，起源于1980年，之后歷經(jīng)多年發(fā)展，如今已成為非常成熟并使用最普遍的3D打印技術(shù)。光聚合成形系統(tǒng)主要由兩大核心技術(shù)構(gòu)成，分別是立體光固化技術(shù)和ployjet多噴射技術(shù)，光聚合成形系統(tǒng)中最終的操控平臺(tái)是由操作臺(tái)升降控制系統(tǒng)和光敏樹脂的液位測(cè)量與控制器共同組合而成的[4]。

在光聚合成型控制系統(tǒng)的應(yīng)用初級(jí)階段，使用光敏樹脂液位進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，從而幫助光聚合成型控制系統(tǒng)順利運(yùn)行。這種控制系統(tǒng)是通過電腦控制激光系統(tǒng)完成對(duì)焦，進(jìn)行掃描，激光系統(tǒng)會(huì)依照預(yù)先設(shè)定好的路線，通過對(duì)陣振鏡式進(jìn)行逐層掃描。由于激光掃描系統(tǒng)無法掃描到液體形態(tài)的光敏樹脂，因此，當(dāng)無法掃描時(shí)，光敏樹脂液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)將會(huì)下降，然后通過光敏樹脂涂層系統(tǒng)為其進(jìn)行一層一層的光敏樹脂涂抹，對(duì)于一些黏性較大的光敏樹脂來說，需要通過刮平器一點(diǎn)一點(diǎn)地將其刮平，然后通過激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行下一層的掃描，這樣一層掃描完之后，將會(huì)裹上新的一層，最終構(gòu)建形成一個(gè)三維立體模型，這個(gè)三維立體模型就是我們所需要制造的零部件。

3.2 激光粉末成型技術(shù)的控制系統(tǒng)分析

激光燒結(jié)技術(shù)也是帶有選擇性的，其核心是直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)和選擇性的金屬激光熔化成形技術(shù)，二者共同結(jié)合產(chǎn)生了選擇性的金屬激光燒結(jié)技術(shù)，因此，可以把金屬激光的能量來源范圍加以擴(kuò)大，甚至可以在實(shí)際操作流程中選擇金屬粉末顆粒中的較小粒子，有助于提高激光粉末成形技術(shù)。激光粉末成型技術(shù)的控制系統(tǒng)是由成型缸升降系統(tǒng)與鋪粉控制系統(tǒng)組合形成。打印最終零部件的粉末材料會(huì)通過鋪粉系統(tǒng)來將其均勻地撒在升降系統(tǒng)上，然后利用加熱系統(tǒng)加熱，從而將這些粉末逐層壓實(shí)。但是，在加熱過程中，需要保證粉末面充分受熱，確保在后續(xù)的打印過程中粉末的溫度可以滿足最終的打印溫度要求。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)控制激光掃描裝置與振鏡型掃描裝置，確保二者的溫度達(dá)到最佳打印溫度。沿著二維軌跡運(yùn)行的粉末材料進(jìn)行掃描，并有選擇性地?zé)Y(jié)成固體，形成零件層。然后降低升降裝置的溫度，保障零件層最終成型。利用鋪粉裝置將粉末材料均勻地鋪放在升降裝置上，利用加熱裝置不斷地對(duì)粉末進(jìn)行擠壓和加熱，然后再對(duì)粉末進(jìn)行掃描，形成一個(gè)新的零件層。將不同的零件層進(jìn)行疊加，最終形成一個(gè)三維立體模型，即所需要打造的零部件。對(duì)于未達(dá)到參與燒結(jié)標(biāo)準(zhǔn)的粉末，回收到粉末缸之中，下次繼續(xù)使用。這樣做可節(jié)約自然資源，更加綠色環(huán)保。

4 3D打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

3D打印技術(shù)用途廣泛，對(duì)于一些無法使用傳統(tǒng)的重型機(jī)器進(jìn)行制造的精細(xì)化的細(xì)小零部件，如日常用的電視或電腦支架以及汽車的細(xì)小車架等，都可以使用3D打印技術(shù)完美打印出來，甚至對(duì)于一些大型的零部件，也可以使用大型3D打印機(jī)打印出來。因此，相較于傳統(tǒng)的零部件制造方式來說，3D打印技術(shù)具有更大的優(yōu)勢(shì)。

利用3D打印技術(shù)制造的零部件更優(yōu)于傳統(tǒng)的零部件制造方法，只需要利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，在電腦中描繪出三維的立體圖像，就可以開始對(duì)零部件進(jìn)行3D打印、制造，不僅節(jié)省了大量的人力、物力，還可以減少工人的工作時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。應(yīng)用3D打印技術(shù)可以降低資本投入，提高企業(yè)的利益，同時(shí)也減少了資源的浪費(fèi)。因我國(guó)的大量鐵礦石及重要礦產(chǎn)資源都依賴于進(jìn)口，3D打印技術(shù)可以為國(guó)家節(jié)省大量的資金。相較于傳統(tǒng)的零部件制造方式，3D打印技術(shù)可以生產(chǎn)出利用傳統(tǒng)零部件制造方式無法生產(chǎn)的復(fù)雜零部件，人們可以高效率地借助計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)出大量的符合實(shí)際需求的零部件產(chǎn)品模型，然后進(jìn)行打印制造[5]。

利用3D打印技術(shù)可以加快零部件的生產(chǎn)過程，在節(jié)省自然資源的同時(shí)，又可以快速地生產(chǎn)出符合標(biāo)準(zhǔn)的零部件產(chǎn)品，并且不會(huì)像傳統(tǒng)的零部件制造方式那樣產(chǎn)生大量的工業(yè)廢料，有利于實(shí)現(xiàn)企業(yè)效益最大化。運(yùn)用3D打印技術(shù)打印出的零部件產(chǎn)品精度更高，且價(jià)格低廉，可以提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。相較于傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)出的零部件，3D打印技術(shù)生產(chǎn)的零部件質(zhì)量更輕，能滿足人們對(duì)零部件產(chǎn)品的實(shí)際需求。相信在未來，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，未來的3D打印技術(shù)不僅局限于工業(yè)產(chǎn)品的打印，將更進(jìn)一步進(jìn)行生物打印，不僅可以還原歷史面貌，也可以為一些病人打印出義肢，幫助他們健康生活。甚至可以通過3D打印技術(shù)，利用食物原料打印出食物。

3D打印技術(shù)不同于傳統(tǒng)工人利用器械來加工零部件的工作方式，具有極高的靈活操作性與高效率性。利用3D打印技術(shù)打印出汽車的零部件，然后進(jìn)行組裝，甚至可以直接打造出一臺(tái)可以真正行駛的汽車。3D打印技術(shù)應(yīng)用于航天技術(shù)產(chǎn)業(yè)，可以打印制造航空起落架所需要的零部件。對(duì)于一些細(xì)小的零部件，利用3D打印技術(shù)可以很快地將其打造出來，節(jié)省了資金投入。

5 結(jié)語

隨著各種新型的3D打印材料及設(shè)備的不斷發(fā)展，其應(yīng)用前景也將越來越廣闊，3D打印技術(shù)有可能成為未來工業(yè)革命的源頭。雖然我國(guó)多項(xiàng)3D打印技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，但是仍和發(fā)達(dá)國(guó)家有著較大的差距，因此，我國(guó)必須要在3D打印技術(shù)領(lǐng)域不斷地開拓進(jìn)取，并建立起一套完善的零部件生產(chǎn)體系，加快我國(guó)工業(yè)化的進(jìn)程。