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金属3D打印技术的研究现状及其发展趋势 已有5人参与
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进入信息时代以来，以网络技术和数字技术为代表的新技术的出现正在深刻地改变着人类社会的方方面面。而3D打印技术作为战略性新兴产业，正在快速改变传统的生产方式和生活方式。美国、德国等发达国家高度重视并积极推广该技术。不少专家认为，以数字化、网络化、个性化、定制化为特点的3D打印技术为代表的新制造技术将推动第三次工业革命。 3D打印技术其实是比较通俗的说法，其实质为激光快速成型技术。激光快速成型是一种离散/堆积的加工技术，根据材料与加工设备的不同，技术上主要有以下几大类：SLA（光固化/立体光刻）、？FDM（熔融沉积成型）？SLS（选择性激光烧结）、LOM（分层实体制造）、3DP（三维印刷）、PCM：无木模铸造等。其基本过程是首先将计算机生成的零件三维实体沿某一坐标轴进行分层处理（离散），得到每层截面的一系列二维截面数据，按特定的成形方法（LOM、SLS、FDM、SLA等）每次只加工一个截面，然后自动叠加（堆积）一层成形材料，这一过程反复进行直到所有的截面加工完毕生成三维实体原型。（1）C?AD软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型；（2）将三维模型沿一定方向（通常为Z向）离散成一系列有序的二维层片（习惯称为分层）；（3）根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码；（4）成形机制造一系列层片并自动将它们堆积起来，得到三维物理实体。 金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最为前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。随着科技发展及推广应用的需求，利用快速成型直接制造金属功能零件成为了快速成型主要的发展方向。目前可用于直接制造金属功能零件的快速成型方法主要有：选择性激光烧结（SLS）、选区激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）、电子束选区熔化（Electron Beam Selective Melting， EBSM）、激光近净成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS） 3D打印技术的应用领域 近年来，金属零件的3D打印技术发展迅速，在各领域都取得了长足发展，已成为现代金属零部件制造的有效手段，在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了一定应用。 工业制造：可应用于产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证；制作模具原型或直接打印模具，直接打印产品：3D打印技术制造的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世，家用器具模型也被用于企业的宣传、营销活动中；文化创意和数码娱乐：可作为形状和结构复杂、材料特殊的艺术表达载体。科幻类电影《阿凡达》运用3D打印技术塑造了部分角色和道具，3D打印技术制造的小提琴接近了手工艺的水平；航空航天、国防军工：可对形状复杂、尺寸微细、性能特殊的零部件、机构进行直接制造；生物医疗：可应用于人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等的制作；消费品：可应用于珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY作品的设计和制造；建筑工程：可应用于建筑模型风动实验和效果展示，建筑工程和施工（AEC）模拟；教育：可应用于模型验证科学假设，用于不同学科实验、教学。在北美的一些中学、普通高校和军事院校，3D打印机已经被用于教学和科研；个性化定制：可提供基于网络的数据下载、电子商务的个性化打印定制服务。 3D打印技术需要依托的尖端技术 3D打印技术需要依托多个学科领域的尖端技术，主要包括以下方面： （1）信息技术：要有先进的设计软件及数字化工具，辅助设计人员制作出产品的三维数字模型，并且根据模型自动分析出打印的工序，自动控制打印器材的走向。 （2）精密机械：3D打印以“每层的叠加”为加工方式。要生产高精度的产品，必须对打印设备的精准程度、稳定性有较高的要求。 （3）材料科学：用于3D打印的原材料较为特殊，必须能够液化、粉末化、丝化，在打印完成后又能重新结合起来，并具有合格的物理、化学性质。客观的说，目前3D打印技术尚不成熟。作为一项多学科交叉的高新技术，还需要在各相关领域投入较大的研发力量，才能掌握完整的核心技术。5.3D技术的工艺 根据材料与加工设备的不同，3D打印技术上主要有以下几大类：SLS工艺：选择性激光烧结、SLA工艺：光固化/立体光刻、FDM工艺：熔融沉积成形、LOM工艺：分层实体制造、3DP工艺：三维印刷、PCM工艺：无木模铸造等。 （1）选择性激光烧结（简称SLS）不同材料的粉末为原料 SLS工艺又称为选择性激光烧结，是利用粉末状材料成形的。将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。 SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛，如尼龙、蜡、ABS、树脂裹覆砂（覆膜砂）、聚碳酸脂（polycarbonates）、金属和陶瓷粉末等都可以作为烧结对象。粉床上未被烧结部分成为烧结部分的支撑结构，因而无需考虑支撑系统（硬件和软件）。SLS工艺与铸造工艺的关系极为密切，如烧结的陶瓷型可作为铸造之型壳、型芯，蜡型可做蜡模，热塑性材料烧结的模型可做消失模。 （2）光固化成型（简称：SLA或AURO）光敏树脂为原料 光固化成形是最早出现的快速成形工艺。其原理是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长（x=325nm）和强度（w=30mw）的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。光固化成型是目前研究得最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。一般层厚在0.1到0.15mm，成形的零件精度较高。 光固化工艺的优点是精度较高、表面效果好，零件制作完成打磨后，将层层的堆积痕迹去除。光固化工艺运行费用最高，零件强度低无弹性，无法进行装配。光固化工艺设备的原材料很贵，种类不多。光固化设备的零件制作完成后，还需要在紫外光的固化箱中二次固化，用以保证零件的强度。 （3）熔融挤出成型（简称FDM）蜡、ABS、PC、尼龙等为原料 熔融挤出成型（FDM）工艺的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、PC、尼龙等，以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较大的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助结构－“支撑”，对后续层提供定位和支撑，以保证成形过程的顺利实现。 这种工艺不用激光，使用、维护简单，成本较低。用蜡成形的零件原型，可以直接用于失蜡铸造。用ABS制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。近年来又开发出PC，PC/ABS，PPSF等更高强度的成形材料，使得该工艺有可能直接制造功能性零件。由于这种工艺具有一些显著优点，该工艺发展极为迅速，目前FDM系统在全球已安装快速成形系统中的份额大约为30％。 （4）分层实体制造（LOM）－没落的快速成型工艺 LOM工艺称为分层实体制造，由美国Helisys公司的Michael?Feygin于1986年研制成功。该公司已推出LOM-1050和LOM-2030两种型号成形机。LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。 （5）三维印刷（3DP）－高速多彩的快速成型工艺 三维印刷（3DP）工艺是美国麻省理工学院Emanual?Sachs等人研制的。E.M.Sachs于1989年申请了3DP（Three-Dimensional?Printing）专利，该专利是非成形材料微滴喷射成形范畴的核心专利之一。3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。 随着社会的发展，制造技术的进步，金属零件3D打印技术将会在更加广泛的领域得到应用，极大地改变人们的生活和工作方式。设计人员不再受传统工艺和制造资源约束，拓展产品创意创新空间，降低产品研发创新成本，并缩短研发周期，同时增强了我国工艺制造能力。在未来，金属零件3D打印在航空航天、生物医疗、工业模具、汽车制造等工业领域将得到极为广泛的应用。 |
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