3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)分析

劉珌卿

摘要：近年來，3D打印技術(shù)的逐漸成熟，引起了世界范圍內(nèi)的廣泛研究和關(guān)注，本文首先分析了3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀，其次分析了3D打印技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，旨在為3D打印技術(shù)的研究和應(yīng)用提供參考意見，以此來推動(dòng)3D打印技術(shù)在工業(yè)體系中的應(yīng)用，同時(shí)提高打印速度、準(zhǔn)確程度，降低打印成本。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);現(xiàn)狀;關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：E919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）06-0221-01

1 3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀

1.1 構(gòu)建起了小規(guī)模產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)

以我國(guó)各大高校和科學(xué)研究所的研究成果為基礎(chǔ)，我國(guó)目前的增材制造設(shè)備及服務(wù)企業(yè)已經(jīng)有將近40家，例如，北京太爾時(shí)代科技有限公司已經(jīng)擁有了獨(dú)立的控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)，并且打印材料享有獨(dú)立自主產(chǎn)權(quán)[1]。按照市場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果而言，我國(guó)2018年的3D打印市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到了150億美元，在未來的幾年之內(nèi)，這一數(shù)字還有很大的上漲空間，有望突破千億美元。

1.2 金屬3D打印技術(shù)水平領(lǐng)先

隨著3D打印技術(shù)開始被應(yīng)用到越來越多的行業(yè)中，該技術(shù)也開始受到了科研人員的廣泛關(guān)注和重視，這也確保了我國(guó)近年來的3D打印技術(shù)水平都處于逐漸上升趨勢(shì)。考慮到3D打印技術(shù)制作成的產(chǎn)品容易出現(xiàn)變形、邊角翹曲、節(jié)點(diǎn)位置開裂等問題，選擇應(yīng)用高性能金屬零件激光成形技術(shù)，這樣也另我國(guó)的金屬3D打印技術(shù)在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先位置，這也為我國(guó)3D打印技術(shù)的研究提供了良好方向，在此基礎(chǔ)上，我國(guó)科研所和各大高校有能力研發(fā)出世界上最先進(jìn)的金屬3D打印技術(shù)。

2 3D打印技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 熔融沉積成形技術(shù)

熔融沉積成形技術(shù)是美國(guó)一家公司研發(fā)的3D打印技術(shù)，該技術(shù)應(yīng)用主要涉及到了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分，硬件系統(tǒng)主要有儲(chǔ)絲裝置、熱噴頭、控制設(shè)備、送絲裝置;軟件系統(tǒng)主要有計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)。熔融沉積成形技術(shù)應(yīng)用流程如下：通過送絲裝置將熱熔性絲狀材料送至噴頭，通過計(jì)算機(jī)軟件的控制，用打印機(jī)噴頭加熱融化、擠出材料，另起沿著某物體二維截面運(yùn)行，一直到半流動(dòng)材料完成填充與凝固操作，這樣便制作出了3D打印成品[2]。

2.2 立體光固化成型技術(shù)

立體光固化成型技術(shù)主要通過紫外激光對(duì)液態(tài)光敏樹脂進(jìn)行全方位的照射，使其發(fā)生光聚合反應(yīng)，這樣2D截面便能夠通過固化和堆疊成型，在制造工作開始之前，設(shè)計(jì)人員需要通過計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型來計(jì)算制造模型的規(guī)格，并且要將其精確度控制在0.1mm之內(nèi)。需要注意的是，如果想要在金屬物品3D打印中應(yīng)用立體光固化成型技術(shù)，需要同時(shí)配合DLP技術(shù)，這是因?yàn)镈LP技術(shù)能夠通過掃描獲得掃描物體的表面特征、體積、表面積等基本信息，并通過直接金屬沉積技術(shù)熔化金屬物品中的金屬絲，另金屬絲沉積到平面基底上，這樣外部結(jié)構(gòu)的層積部件便可以被制造出來了;隨后再在金屬物品表面涂抹一層層對(duì)液態(tài)光敏樹脂材料，這樣便可以形成完整的三維結(jié)構(gòu)。立體光固化成型技術(shù)具有精度程度高、制造效率高、成品表面質(zhì)量好等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，適合應(yīng)用在醫(yī)療器械和復(fù)雜零件制造中。

2.3 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)主要通過紅外激光束對(duì)不同粉末材料進(jìn)行鋪平、燒結(jié)，經(jīng)常應(yīng)用的粉末材料有金屬粉末、陶瓷粉末、橡膠粉末、ABS粉末等，技術(shù)中的可選擇性指的是技術(shù)人員可以通過計(jì)算機(jī)軟件來空內(nèi)置紅外激光束，以此來完成鋪平、燒結(jié)操作[3]。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的應(yīng)用需要分三維界面進(jìn)行，逐層完成鋪平、燒結(jié)操作，處于加工狀態(tài)下的粉末其溫度要略高于其熔點(diǎn)，在完成一層燒結(jié)操作后需要用平整滾將其普鋪平，一直到整體的產(chǎn)品完成燒結(jié)操作。

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)包括成型缸、激光器、掃描鏡、粉末缸、激光束、平整滾等構(gòu)件，每種設(shè)施都有各自的作用，例如，激光束負(fù)責(zé)照射各類粉末材料，粉末缸負(fù)責(zé)存儲(chǔ)各類粉末材料，成型缸負(fù)責(zé)均勻鋪設(shè)各類粉末材料，這些設(shè)施都在計(jì)算機(jī)軟件的控制下，技術(shù)人員通過計(jì)算機(jī)軟件便可以控制這些設(shè)施完成相應(yīng)的操作。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、材料應(yīng)用效率高、制造效率高等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并且可以應(yīng)用的材料類型較多，如金屬合金、聚合物等都能被燒結(jié)，因此適合應(yīng)用在制造材料較為特殊、外形較為復(fù)雜的零件制造中。但是選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的應(yīng)用存在一個(gè)局限性，粉末在燒結(jié)過程中產(chǎn)生的未熔顆粒規(guī)模較大，因此該技術(shù)不能應(yīng)用在高精度、高密度的零件制造中。

2.4 直接金屬激光成形技術(shù)

直接金屬激光成形技術(shù)和選擇性激光燒結(jié)技術(shù)應(yīng)用原理較為相似，但是相比較而言，該技術(shù)更適合應(yīng)用在致密度要求較高的零件加工中，這是因?yàn)樵摷夹g(shù)加工出來的零件的精確程度和機(jī)械硬度較高，并且不需要在加工前對(duì)材料進(jìn)行預(yù)處理。但是直接金屬激光成形技術(shù)的應(yīng)用存在一個(gè)局限性，在金屬零部件加工過程中，如果激光掃描速率增加或者是激光功率減小，會(huì)導(dǎo)致金屬粉末在熔化時(shí)出現(xiàn)球化效應(yīng)，這樣金屬零部件表面便可能出現(xiàn)變形或者疏松問題。為了避免上述問題的出現(xiàn)，技術(shù)人員需要掌握好各種金屬粉末的熔點(diǎn)，如果金屬粉末的熔點(diǎn)較低可以將其作為粘結(jié)劑，來粘結(jié)熔點(diǎn)較高的金屬粉末[4]。

2.5 選擇性激光熔化技術(shù)

選擇性激光熔化技術(shù)是德國(guó)一家科研所研發(fā)的3D打印技術(shù)，和選擇性激光燒結(jié)技術(shù)應(yīng)用原理較為相似，應(yīng)用流程如下：在3D打印加工室基板上鋪設(shè)材料粉末，應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件來控制激光器，以此來分別對(duì)粉末進(jìn)行照射，粉末在熔化之后便會(huì)成型，隨后再鋪設(shè)另外一層材料粉末，重復(fù)上述步驟，一直到整體零件制造完成。選擇性激光熔化技術(shù)具有機(jī)械強(qiáng)度高、節(jié)約制造材料、緊密度高等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，適合應(yīng)用在金屬合金材料和金屬材料零件制造中。

3 結(jié)語

總之，3D打印技術(shù)的應(yīng)用是工業(yè)制造行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，并且隨著新型材料和激光技術(shù)等其他科技的日漸發(fā)展，3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍將會(huì)不斷擴(kuò)展，我國(guó)目前的3D打印技術(shù)發(fā)展水平和發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定差別，但是已經(jīng)取得了十分顯著的發(fā)展效果，在科研人員的不斷完善下，其應(yīng)用體系將逐漸完善。

參考文獻(xiàn)

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[2] 郭繼周，鄧啟文.我國(guó)3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及環(huán)境分析[J].國(guó)防科技，2017（03）：35-39.

[3] 張晶晶.中國(guó)3D打印技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（16）：262.

[4] 唐洋，陳海鋒，劉志強(qiáng)，肖倩.3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析[J].自動(dòng)化儀表，2018（05）：12-17.

Present Situation and key Technology Analysis of 3D Printing Technology

LIU Bi-qing

（Jiangxi New Energy Technology Vocational College， Xinyu Jiangxi? 338000）

Abstract：In recent years， the maturity of 3D printing technology has attracted extensive research and attention all over the world. This paper first analyzes the present situation of 3D printing technology， and then analyzes the key technologies of 3D printing technology， in order to provide reference for the research and application of 3D printing technology， in order to promote the application of 3D printing technology in the industrial system， and at the same time improve printing speed， accuracy and reduce printing cost.

Key words：3D printing technology; status quo; key technologies