3D打印熔滴沉積與傳統(tǒng)制造相結(jié)合技術(shù)發(fā)展前景

劉 偉

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710300）

3D打印技術(shù)具有制造復(fù)雜物品不增加成本，產(chǎn)品多樣化不增加成本，精確實體復(fù)制，現(xiàn)場制造，零時間交付，零技能制造，設(shè)計空間無限，材料無限組合，操作自動快捷、精確可控等優(yōu)點[1-3]。

3D打印技術(shù)已成為高新制造業(yè)的核心技術(shù)。3D打印“金屬熔滴沉積技術(shù)”，無需價格昂貴的激光系統(tǒng)，運行費用很低，可靠性高，已應(yīng)用于制造復(fù)雜原型及快速制模，是一種前景廣闊的金屬產(chǎn)品高效制造技術(shù)。3D打印技術(shù)用一道工序可以完成傳統(tǒng)成形方法中多道工序才能完成的部件制造，即可以打印出一個無論多復(fù)雜的部件來替代現(xiàn)在的若干個部件組合才能實現(xiàn)的功能。通過控制熔滴速率與掃描速度便可調(diào)節(jié)成形件的精度與速度的取舍?？蓪崿F(xiàn)多種材料同時成形，完成不同材料結(jié)合的零件打印[4-5]。

1 熔滴沉積3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

熔滴沉積3D打印技術(shù)最初是在20世紀(jì)九十年代初由美國麻省理工學(xué)院(MI1)和加州大學(xué)(UCI)首先提出的，是將噴墨打印技術(shù)的思想應(yīng)用到制造領(lǐng)域而開發(fā)的一種新型快速成型技術(shù)?，F(xiàn)已經(jīng)在國內(nèi)外進行了大量的研究。國外主要有加州大學(xué)Melissa等用鋁滴沉積得到的制件比純鋁塊抗拉強度提高30%，硬度提高100%。國內(nèi)主要有西北工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)等對這一技術(shù)進行了多年的探索。

根據(jù)試驗結(jié)果，通過調(diào)整工藝參數(shù)，制造出了壁厚為400 μm的微型薄壁結(jié)構(gòu)。

以上研究工作表明運用微液滴沉積的制造方法成型微型薄壁金屬零件是可行的。

目前,研究者對該技術(shù)的研究主要集中在實驗設(shè)備的研制，以及通過實驗和數(shù)值模擬尋求工藝參數(shù)對成型質(zhì)量、成型速率的影響。Haferl等人利用均勻熔滴發(fā)生裝置得到直徑100 μm的Sn63%Pb37%熔滴，并第一次對熔融熔滴與已固化熔滴碰撞過程的瞬時流體動力學(xué)、潤濕性和凝固等問題開展實驗研究[6-10]。

國內(nèi)一些高校和科研機構(gòu)[11-13]也對熔滴沉積增材制造技術(shù)進行了相關(guān)研究。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)高勝東[14]等人研制了熔滴沉積增材制造的實驗裝置。

清華大學(xué)顏永年[15]等人以水為材料，使其在低溫環(huán)境中凝固成冰制成熔模冰型，研究了臨界凝固時間、噴射流量等工藝參數(shù)的優(yōu)化問題，成功制造出了螺旋管、軸承座、連桿的冰型，并且有較高的表面精度。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)高深[16]等人研制了八噴頭的組合溶液噴射合成儀，以組合的方法篩選新材料，以溶液噴射的方法在11×11（mm）陳列微孔的陶瓷基片上合成硅酸鹽長余輝熒光材料樣品庫，通過對樣品庫中各個樣品的光譜分析，很容易找出最佳長余輝材料要求的各種物質(zhì)的比例，大大加快了新材料的篩選過程。

2 熔滴沉積3D打印技術(shù)原理

熔滴沉積制造技術(shù)是一種新型3D打印成形技術(shù)，它是利用零件CAD信息，通過計算機控制系統(tǒng)控制均勻熔滴的產(chǎn)生,逐點、逐層沉積到基板上制造出三維微小零件的一種增材制造技術(shù)（如圖1所示）。該技術(shù)可直接成形復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，減少了傳統(tǒng)工藝在零件設(shè)計、制造過程中的約束條件，已成為無約束成形技術(shù)的一個新發(fā)展方向[17]。

圖1 熔滴沉積原理

熔滴沉積成形技術(shù)的理論加工過程如圖2所示。首先在計算機中生成零件的三維CAD模型，然后將模型按一定的厚度切片分層，將零件的三維信息轉(zhuǎn)換成一系列二維輪廓信息，用坩堝將金屬融化，從噴嘴流出形成的熔滴，然后在計算機的控制下，使其按照二維輪廓信息逐層堆積，得到三維實體零件或近形件。

圖2 微滴沉積微型薄壁結(jié)構(gòu)

該技術(shù)具有制造柔性化程度高，省去了設(shè)計和加工模具的時間和費用，產(chǎn)品研制周期短、加工速度快；全部設(shè)計在計算機上完成，實際的制造過程也在計算機控制下進行，真正實現(xiàn)制造的數(shù)字化、智能化和無紙化等優(yōu)點。

3 3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)的有機結(jié)合

3D打印與傳統(tǒng)制造業(yè)的模具制造、澆注、加工等工藝流程融為一體，可以縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)材料的廢棄率，促進產(chǎn)品質(zhì)量的提升和生產(chǎn)效率的提高。對于有些工藝，3D打印技術(shù)則可以取代傳統(tǒng)制造技術(shù)，例如飛機、核電（具體對比如表1所示）和火電等行業(yè)所使用的重型機械、高端精密機械裝備，傳統(tǒng)的焊接和零件加固的方法使得部件之間的連接并不牢固，但是使用3D打印技術(shù)，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品是自然無縫連接，結(jié)構(gòu)之間的穩(wěn)固性和連接強度要遠遠高于傳統(tǒng)方法。因此，該技術(shù)在大型高端裝備制造方面應(yīng)用前景非常廣闊。而對于形狀復(fù)雜的電力金具而言,部分零件使用傳統(tǒng)的方法制造,已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年甚至幾百年,其技術(shù)已經(jīng)很成熟,但是中間的連接部分可以采用3D打印技術(shù),實現(xiàn)了3D打印與傳統(tǒng)制造有機合成技術(shù),形成一條自動化生產(chǎn)線,可帶來設(shè)計理念的改變。過去因傳統(tǒng)加工方式的約束,而無法實現(xiàn)的復(fù)雜產(chǎn)品制造變?yōu)榭赡?可以大大提高零部件的集成度,簡化產(chǎn)品設(shè)計,是未來發(fā)展的趨勢所在[18-20]。

表1 傳統(tǒng)技術(shù)與3D打印技術(shù)制造某核電站蒸汽發(fā)生器（質(zhì)量50 t）的區(qū)別

4 結(jié)束語

熔滴沉積3D打印技術(shù)作為整個3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。隨著科技發(fā)展及推廣應(yīng)用的需求，3D打印與傳統(tǒng)制造業(yè)的模具制造、澆注、加工等工藝流程融為一體，可以縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)材料的廢棄率，促進產(chǎn)品質(zhì)量的提升和生產(chǎn)效率的提高。利用快速成型直接制造金屬功能零件成為了快速成型主要的發(fā)展方向。

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