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

楊云

摘 要 3D打印技術(shù)是現(xiàn)代制造技術(shù)中的一項(xiàng)新技術(shù)，近年來(lái)，我國(guó)逐步加大了3D打印技術(shù)的研發(fā)及資金投入，在許多關(guān)鍵技術(shù)上取得了良好的效果。本文首先介紹了3D打印技術(shù)的概念，闡述了3D打印技術(shù)在我國(guó)的研究現(xiàn)狀，并論述了3D打印的關(guān)鍵技術(shù)及其關(guān)鍵技術(shù)的研究和探索。

關(guān)鍵詞 3D打印技術(shù);研究現(xiàn)狀;關(guān)鍵技術(shù)

3D打印的思想起源于19世紀(jì)的美國(guó)，20世紀(jì)80年代得到了發(fā)展及普及。與傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中使用的“減材加工”方法相比，3D打印是一種“增材制造”技術(shù)，它結(jié)合了計(jì)算機(jī)軟件、材料、機(jī)械等領(lǐng)域的系統(tǒng)性和綜合性特點(diǎn)，采用粉末金屬或線材塑料等可黏合材料，通過(guò)逐層堆積的選擇性黏結(jié)來(lái)制造實(shí)體零件，能省去煩瑣的工序，快速打印出復(fù)雜形狀的零件[1]。

13D打印技術(shù)概念

3D打印技術(shù)是一種制造過(guò)程，利用實(shí)體材料將讀取的信息逐層打印出來(lái)，再將其以各種方式粘合起來(lái)制造出實(shí)體，縮短了大量制造時(shí)間，提升了成品精準(zhǔn)度，現(xiàn)逐漸用于產(chǎn)品或零部件的直接制造[2]。

23D打印技術(shù)在我國(guó)的研究現(xiàn)狀

（1）目前，我國(guó)3D打印技術(shù)研發(fā)以高校為中心。在我國(guó)發(fā)展中，如北京航天航空大學(xué)、北京大學(xué)等高等院校為了在技術(shù)發(fā)展中得到更大的優(yōu)勢(shì)，相繼構(gòu)建了3D打印技術(shù)研究中心，這些高校目前研發(fā)和創(chuàng)新的3D打印機(jī)已基本達(dá)到了世界先進(jìn)水平，這也成為我國(guó)3D打印技術(shù)發(fā)展的重要?jiǎng)恿Α?/p>

（2）3D打印技術(shù)的發(fā)展使小型的市場(chǎng)已成形。如今，依靠各個(gè)高校的研發(fā)中心得到的成果及一些專業(yè)的研發(fā)機(jī)構(gòu)所開(kāi)發(fā)的相關(guān)技術(shù)，我國(guó)已擁有較多的增材裝置及其服務(wù)的企業(yè)。例如，北京的一些公司可自主研發(fā)一些技術(shù)所需要的控制裝置和機(jī)械系統(tǒng)，甚至是用于打印技術(shù)的原材料，且擁有自主產(chǎn)權(quán)，這也是3D打印較為核心的技術(shù)。

（3）總體水平迅速提升，金屬3D打印技術(shù)位居全球領(lǐng)先地位。當(dāng)前，3D打印技術(shù)被越來(lái)越多地運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域中，所以，3D打印技術(shù)引起了國(guó)家及科研工作者的高度重視，我國(guó)3D打印技術(shù)的總體水平持續(xù)增強(qiáng)。因不少3D打印材料打印出以后的成形品往往會(huì)存在變形、節(jié)點(diǎn)部分開(kāi)裂、邊角容易翹曲等現(xiàn)象，但我國(guó)的高性能金屬零件激光成形技術(shù)將諸多難題一一攻克，我國(guó)目前也成為世界上第一個(gè)能借助選擇性激光燒結(jié)技術(shù)來(lái)研發(fā)制造大型金屬零件的國(guó)家。比如：北京航空航天大學(xué)3D打印技術(shù)實(shí)驗(yàn)室與西北工業(yè)大學(xué)3D打印技術(shù)團(tuán)隊(duì)共同把這種高性能金屬零件激光成形技藝成功運(yùn)用到我國(guó)獨(dú)立研發(fā)的大型客機(jī)C919的主風(fēng)擋窗框及中央翼根肋，此項(xiàng)技術(shù)的成功利用有效減輕了客機(jī)的重量。

33D打印的關(guān)鍵技術(shù)

（1）熔融沉積成形。該方法使用絲狀材料（石蠟、金屬、塑料、低熔點(diǎn)合金絲）為原料，利用電加熱方式將絲狀材料加熱至略高于熔化溫度（約比熔點(diǎn)高1℃），在計(jì)算機(jī)的控制下，噴頭作x-y平面運(yùn)動(dòng)，將熔融的材料涂覆在工作臺(tái)上，冷卻后形成工件的一層截面，一層成形后，噴頭上移一層高度，進(jìn)行下一層涂覆，這樣逐層堆積形成三維工件。該技術(shù)污染小，材料可回收，用于中小型工件的成形。成形材料：固體絲狀工程塑料;制件性能相當(dāng)于工程塑料或蠟?zāi)?主要用于塑料件、鑄造用蠟?zāi)?、樣件或模型?/p>

（2）立體光固化成型技術(shù)。此技術(shù)主要通過(guò)紫外激光對(duì)液態(tài)光敏樹(shù)脂進(jìn)行全方位的照射，使其發(fā)生光聚合反應(yīng)，這樣2D截面便能通過(guò)固化和堆疊成型，在制造工作開(kāi)始前，設(shè)計(jì)人員需通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算制造模型的規(guī)格，并要將其精確度控制在0.1mm內(nèi)。需注意的是，若想要在金屬物品3D打印中應(yīng)用立體光固化成型技術(shù)，需同時(shí)配合DLP技術(shù)，這是因DLP技術(shù)能通過(guò)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(guò)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)的層積部件便可制造出來(lái);隨后再在金屬物品表面涂抹一層液態(tài)光敏樹(shù)脂材料，這樣便可形成完整的三維結(jié)構(gòu)。該技術(shù)具有精度高、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。

（3）分層實(shí)體制造。該技術(shù)是指以紙、金屬箔、塑料等薄片材料為原材料，并在其表面涂上熱熔膠，通過(guò)熱壓輥碾壓黏結(jié)成一層，用激光束按分層處理后的CAD模型對(duì)截面輪廓進(jìn)行掃描切割，最終實(shí)現(xiàn)零件的立體成形。這類技術(shù)一般用于制作尺寸需求較大的零件，其局限性在于對(duì)原材料的使用量較大等。

（4）打印鑄造用砂芯。砂芯是鑄造生產(chǎn)中用于制造型芯的材料，一般由鑄造砂、型砂黏結(jié)劑和輔加物等造型材料按一定的比例混合而成。砂芯在鑄型中大部分被高溫的液態(tài)金屬所包圍，而支撐定位部分的尺寸一般較小，因此芯砂除應(yīng)具有一般型砂的性能外，還要求有較高的強(qiáng)度、透氣性、退讓性和潰散性。傳統(tǒng)砂芯制作是將造型材料倒入芯盒中成型，需在分型面上制出排氣通道，但該方法耗費(fèi)時(shí)間，效率低，針對(duì)一些形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件，增加了砂芯制作的難度。對(duì)于尺寸要求嚴(yán)格的砂型鑄件，按照人工制芯的方式很難滿足鑄件尺寸公差要求。隨著近些年3D打印技術(shù)在各工程領(lǐng)域的應(yīng)用的快速發(fā)展，采用3D打印技術(shù)制作砂芯，在滿足砂型鑄造工藝要求的基礎(chǔ)上，更準(zhǔn)確地控制了鑄件的尺寸精度，能夠縮短制造周期，提高生產(chǎn)效率。

43D打印關(guān)鍵技術(shù)的研究和探索

首先，提升3D打印粉末質(zhì)量及獲得量。通常，對(duì)3D打印質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素較多，包括材料流動(dòng)性、粉末粒度、氣體含量等。比如，3D打印技術(shù)對(duì)粉末適應(yīng)性要求較低，幾十到幾百微米范圍都能對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用，細(xì)粉末通常適合應(yīng)用在更精細(xì)的結(jié)構(gòu)中，而粗粉末則更適合應(yīng)用在大尺寸加工結(jié)構(gòu)上，但當(dāng)粉末粒度小于40微米，粉末的穩(wěn)定性就將大幅降低，不利于材料成型。若粉末粒度較大，則需借助大功率設(shè)備開(kāi)展工作，過(guò)多的熱輸入容易對(duì)材料力學(xué)性能產(chǎn)生影響。其次，制定3D打印制件無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。其主要是針對(duì)金屬3D打印而言，金屬3D打印的本質(zhì)為焊接，比如氣孔、夾雜、裂紋等一系列缺陷幾乎無(wú)法預(yù)防。在此前提下，應(yīng)盡快構(gòu)建起一套適用于3D打印零件的無(wú)損檢測(cè)方法與規(guī)范。另外，因3D打印件結(jié)構(gòu)大部分都較為復(fù)雜，這給無(wú)損檢測(cè)造成了更多麻煩，選取傳統(tǒng)形式存在檢測(cè)不準(zhǔn)及無(wú)法檢測(cè)的弊端，需深入研究新的檢測(cè)方法與裝置。最后，應(yīng)通過(guò)使用一些合理的監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)監(jiān)控印刷過(guò)程，從而提升印刷的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1] 張學(xué)軍.3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)[J].材料工程，2016（2）： 122-124.

[2] 王凡.3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)[J].當(dāng)代化工研究，2017 （8）：137-138.