金屬零件3D打印技術(shù)的應(yīng)用研究

李希朝

摘 要：目前，將快速成型技術(shù)與制造業(yè)中的金屬構(gòu)件相結(jié)合是制造業(yè)新的發(fā)展方向。結(jié)合我國金屬零件3D打印技術(shù)的應(yīng)用實(shí)際，闡述了它的發(fā)展演變過程，并對(duì)其應(yīng)用作了研究，以最大限度地發(fā)揮其功效。

關(guān)鍵詞：金屬零件；3D打印技術(shù)；加工熱源；技術(shù)創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：TP334.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.01.130

進(jìn)入21世紀(jì)以來，科學(xué)技術(shù)日新月異，制造行業(yè)中的3D打印技術(shù)作為對(duì)技術(shù)要求較高的項(xiàng)目，開始嶄露頭角。金屬零件3D打印技術(shù)作為“增材制造”的主要手段，有別于傳統(tǒng)的制作模式。它可以利用計(jì)算機(jī)直接處理圖形數(shù)據(jù)，無需原胚和模具，并利用材料的增減和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)改變材料的形狀，簡化制作流程，節(jié)約原料，縮短制造時(shí)間，最大限度地減少資金費(fèi)用，并降低風(fēng)險(xiǎn)。

1 金屬零件3D打印技術(shù)的發(fā)展

1.1 激光工程化凈成形技術(shù)

激光工程化凈成形技術(shù)簡稱“LENS技術(shù)”，是一種成形較快的技術(shù)手段，可以直接制造形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。它的主要構(gòu)成系統(tǒng)包括三大部分，即送粉器、送粉頭和保護(hù)氣路。要想提高金屬粉末的流動(dòng)速度，送粉器的高度必須要超過2 m，并將粉末分割器分成4份。此外，還要通過軟管將金屬粉末流入粉末分割器，以免出現(xiàn)氧化現(xiàn)象。

1.2 激光選區(qū)熔化技術(shù)

激光選區(qū)熔化技術(shù)簡稱“SLM技術(shù)”，是金屬3D打印技術(shù)中最重要的一部分，于1986年被美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校申請(qǐng)了專利權(quán)。它的技術(shù)原理是運(yùn)用計(jì)算機(jī)中的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后切片分層，得到截面數(shù)據(jù)。其發(fā)展經(jīng)歷了從低熔點(diǎn)非金屬粉末燒結(jié)到高熔點(diǎn)粉末直接熔化成形的過程。但在實(shí)際使用中，要注意激光束在實(shí)施掃描之前，必須做好粉末平推工作，經(jīng)過層層加工后，方可進(jìn)入下一道工序，以防金屬在高溫下發(fā)生反應(yīng)。

1.3 電子束選區(qū)熔化技術(shù)

電子束選區(qū)熔化技術(shù)簡稱“EBSM技術(shù)”，是金屬零件3D打印技術(shù)中與激光凈成形制造技術(shù)最為類似的手段，其加工熱源是高能電子束，通過操縱磁偏轉(zhuǎn)線圈進(jìn)行掃描。該技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是在真空環(huán)境下作業(yè)，能夠避免在液相燒結(jié)或熔化過程中產(chǎn)生的金屬粉末出現(xiàn)氧化現(xiàn)象。基于該技術(shù)的這一優(yōu)勢，我國清華大學(xué)開發(fā)出了電子束快速制造系統(tǒng)。

2 金屬零件3D打印技術(shù)的應(yīng)用研究

通過上述內(nèi)容，我們已經(jīng)對(duì)金屬零件3D打印技術(shù)有了一個(gè)全面的了解，但要想將這些技術(shù)的優(yōu)勢和功能發(fā)揮到最大，就必須做好實(shí)踐應(yīng)用，將它們與實(shí)際相結(jié)合。

2.1 LENS技術(shù)的應(yīng)用研究

目前，快速原型技術(shù)已經(jīng)逐步趨于成熟，發(fā)達(dá)國家也將激光工程化凈成形技術(shù)作為研究的重點(diǎn)，并取得了一些實(shí)質(zhì)性成果。在實(shí)際應(yīng)用中，可以利用該技術(shù)制作出功能復(fù)合型材料，可以修復(fù)高附加值的鈦合金葉片，也可以運(yùn)用到直升機(jī)、客機(jī)、導(dǎo)彈的制作中。另外，還能將該技術(shù)運(yùn)用于生物植入領(lǐng)域，采用與人體具有相容性的Ni、Ti材質(zhì)制備植入體，有效提升了空隙率，延長了植入體的使用時(shí)長。

2.2 SLM技術(shù)的應(yīng)用研究

廣泛應(yīng)用激光選區(qū)熔化技術(shù)的代表國家有德國、美國等。他們都開發(fā)出了不同的制造機(jī)型，甚至可以根據(jù)實(shí)際情況專門打造零件，滿足個(gè)性化的需要。利用EOSING M270設(shè)備成形的金屬零件尺寸較小，將其應(yīng)用到牙橋、牙冠的批量生產(chǎn)中既不會(huì)影響人們對(duì)其的使用，也不會(huì)產(chǎn)生不適感，且它的致密度接近100%，精細(xì)度較好。與此同時(shí)，利用SLM技術(shù)生產(chǎn)出的鈦合金零件還能夠運(yùn)用到醫(yī)學(xué)植入體中，促進(jìn)了醫(yī)學(xué)工作的發(fā)展。

2.3 EBSM技術(shù)的應(yīng)用研究

瑞典Arcam公司制造生產(chǎn)的S12設(shè)備是電子束選區(qū)熔化技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的最好實(shí)例。該公司在2003年就開始研究該項(xiàng)技術(shù)，并與多種領(lǐng)域結(jié)合探究。目前，EBSM技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中得到了大量應(yīng)用，相關(guān)單位正積極研究它在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用，美國在空間飛行器方面的研究重點(diǎn)是飛行器和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)制造以及月球或空間站環(huán)境下的金屬直接成形制造。

2.4 華南理工大學(xué)的實(shí)際研究情況

華南理工大學(xué)對(duì)相關(guān)設(shè)備的研究情況如表1所示。

3 結(jié)束語

與國外發(fā)達(dá)國家相比，我國的金屬零件3D打印技術(shù)還比較落后，主要體現(xiàn)為起步較晚，技術(shù)水平不高。面對(duì)科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和制造業(yè)對(duì)技術(shù)研發(fā)的新要求，加大對(duì)金屬零件3D打印技術(shù)的研究力度顯得尤為重要。對(duì)此。我國相關(guān)技術(shù)單位必須做好研究工作，組織各學(xué)科、各行業(yè)開展技術(shù)研發(fā)工作，并將激光工程化凈成形技術(shù)、激光選區(qū)熔化技術(shù)和電子束選區(qū)熔化技術(shù)切實(shí)應(yīng)用到實(shí)際中，促進(jìn)我國制造業(yè)的快速發(fā)展。

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〔編輯：王霞〕