金屬3D打印技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)

1、金屬3D打印技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)入信息時(shí)代以來，以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)字技術(shù)為代表的新技術(shù)的出現(xiàn)正在深刻地改變著人類社會(huì)的方方面面。而3D打印技術(shù)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，正在快速改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式和生活方式。美國、德國等發(fā)達(dá)國家高度重視并積極推廣該技術(shù)。不少專家認(rèn)為，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)性化、定制化為特點(diǎn)的3D打印技術(shù)為代表的新制造技術(shù)將推動(dòng)第三次工業(yè)革命。3D打印技術(shù)其實(shí)是比較通俗的說法，其實(shí)質(zhì)為激光快速成型技術(shù)。激光快速成型是一種離散/堆積的加工技術(shù)，根據(jù)材料與加工設(shè)備的不同，技術(shù)上主要有以下幾大類：SLA（光固化/立體光刻）、？FDM（熔融沉積成型）？SLS（選擇性激光燒結(jié)）、LOM（分層實(shí)

2、體制造）、3DP（三維印刷）、PCM：無木模鑄造等。其基本過程是首先將計(jì)算機(jī)生成的零件三維實(shí)體沿某一坐標(biāo)軸進(jìn)行分層處理（離散），得到每層截面的一系列二維截面數(shù)據(jù)，按特定的成形方法（LOM、SLS、FDM、SLA等）每次只加工一個(gè)截面，然后自動(dòng)疊加（堆積）一層成形材料，這一過程反復(fù)進(jìn)行直到所有的截面加工完畢生成三維實(shí)體原型。（1）C?AD軟件設(shè)計(jì)出所需零件的計(jì)算機(jī)三維曲面或?qū)嶓w模型；（2）將三維模型沿一定方向（通常為Z向）離散成一系列有序的二維層片（習(xí)慣稱為分層）；（3）根據(jù)每層輪廓信息，進(jìn)行工藝規(guī)劃，選擇加工參數(shù)，自動(dòng)生成數(shù)控代碼；（4）成形機(jī)制造一系列層片并自動(dòng)將它們堆積起來，得到三維物理實(shí)

3、體。金屬零件3D打印技術(shù)作為整個(gè)3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進(jìn)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，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。目前可用于直接制造金屬功能零件的快速成型方法主要有：選擇性激光燒結(jié)（SLS）、選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）、電子束選區(qū)熔化（Electron Beam Selective Melting， EBSM）、激光近凈成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS） 等。國內(nèi)研究現(xiàn)狀國外對(duì)金屬零件3D打印技術(shù)的理論與工藝研究相對(duì)較早，且在近幾年

4、已有多家公司推出商品化的設(shè)備。而國內(nèi)的研究主要集中在基礎(chǔ)的工藝，華南理工大學(xué)的研究重點(diǎn)是SLM技術(shù)，清華大學(xué)以EBSM技術(shù)為主，南京航空航天大學(xué)和華中科技大學(xué)主要研究選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)。西北工業(yè)大學(xué)深入研究了LENS工藝。中北大學(xué)則在選擇性激光燒結(jié)的基礎(chǔ)上研制了變長線掃描SLS RPT，是世界上首次采用的新穎快速成型方法，并且自主研發(fā)生產(chǎn)了HLP-350I激光燒結(jié)快速成型機(jī)。3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域近年來，金屬零件的3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，在各領(lǐng)域都取得了長足發(fā)展，已成為現(xiàn)代金屬零部件制造的有效手段，在航空航天、汽車摩托車、家電等領(lǐng)域得到了一定應(yīng)用。工業(yè)制造：可應(yīng)用于產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)、原型制作、產(chǎn)品評(píng)審

5、、功能驗(yàn)證；制作模具原型或直接打印模具，直接打印產(chǎn)品：3D打印技術(shù)制造的小型無人飛機(jī)、小型汽車等概念產(chǎn)品已問世，家用器具模型也被用于企業(yè)的宣傳、營銷活動(dòng)中；文化創(chuàng)意和數(shù)碼娛樂：可作為形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料特殊的藝術(shù)表達(dá)載體。科幻類電影阿凡達(dá)運(yùn)用3D打印技術(shù)塑造了部分角色和道具，3D打印技術(shù)制造的小提琴接近了手工藝的水平；航空航天、國防軍工：可對(duì)形狀復(fù)雜、尺寸微細(xì)、性能特殊的零部件、機(jī)構(gòu)進(jìn)行直接制造；生物醫(yī)療：可應(yīng)用于人造骨骼、牙齒、助聽器、假肢等的制作；消費(fèi)品：可應(yīng)用于珠寶、服飾、鞋類、玩具、創(chuàng)意DIY作品的設(shè)計(jì)和制造；建筑工程：可應(yīng)用于建筑模型風(fēng)動(dòng)實(shí)驗(yàn)和效果展示，建筑工程和施工（AEC）模擬；

6、教育：可應(yīng)用于模型驗(yàn)證科學(xué)假設(shè)，用于不同學(xué)科實(shí)驗(yàn)、教學(xué)。在北美的一些中學(xué)、普通高校和軍事院校，3D打印機(jī)已經(jīng)被用于教學(xué)和科研；個(gè)性化定制：可提供基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)下載、電子商務(wù)的個(gè)性化打印定制服務(wù)。3D打印技術(shù)需要依托的尖端技術(shù)3D打印技術(shù)需要依托多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的尖端技術(shù)，主要包括以下方面：（1）信息技術(shù)：要有先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件及數(shù)字化工具，輔助設(shè)計(jì)人員制作出產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，并且根據(jù)模型自動(dòng)分析出打印的工序，自動(dòng)控制打印器材的走向。（2）精密機(jī)械：3D打印以“每層的疊加”為加工方式。要生產(chǎn)高精度的產(chǎn)品，必須對(duì)打印設(shè)備的精準(zhǔn)程度、穩(wěn)定性有較高的要求。（3）材料科學(xué)：用于3D打印的原材料較為特殊，必須能

7、夠液化、粉末化、絲化，在打印完成后又能重新結(jié)合起來，并具有合格的物理、化學(xué)性質(zhì)?？陀^的說，目前3D打印技術(shù)尚不成熟。作為一項(xiàng)多學(xué)科交叉的高新技術(shù)，還需要在各相關(guān)領(lǐng)域投入較大的研發(fā)力量，才能掌握完整的核心技術(shù)。5.3D技術(shù)的工藝根據(jù)材料與加工設(shè)備的不同，3D打印技術(shù)上主要有以下幾大類：SLS工藝：選擇性激光燒結(jié)、SLA工藝：光固化/立體光刻、FDM工藝：熔融沉積成形、LOM工藝：分層實(shí)體制造、3DP工藝：三維印刷、PCM工藝：無木模鑄造等。（1）選擇性激光燒結(jié)（簡稱SLS）不同材料的粉末為原料SLS工藝又稱為選擇性激光燒結(jié)，是利用粉末狀材料成形的。將材料粉末鋪灑在已成形零件的上表面，并刮平；用高

8、強(qiáng)度的CO2激光器在剛鋪的新層上掃描出零件截面；材料粉末在高強(qiáng)度的激光照射下被燒結(jié)在一起，得到零件的截面，并與下面已成形的部分粘接；當(dāng)一層截面燒結(jié)完后，鋪上新的一層材料粉末，選擇地?zé)Y(jié)下層截面。SLS工藝最大的優(yōu)點(diǎn)在于選材較為廣泛，如尼龍、蠟、ABS、樹脂裹覆砂（覆膜砂）、聚碳酸脂（polycarbonates）、金屬和陶瓷粉末等都可以作為燒結(jié)對(duì)象。粉床上未被燒結(jié)部分成為燒結(jié)部分的支撐結(jié)構(gòu)，因而無需考慮支撐系統(tǒng)（硬件和軟件）。SLS工藝與鑄造工藝的關(guān)系極為密切，如燒結(jié)的陶瓷型可作為鑄造之型殼、型芯，蠟型可做蠟?zāi)?，熱塑性材料燒結(jié)的模型可做消失模。（2）光固化成型（簡稱：SLA或AURO）光敏樹脂

9、為原料光固化成形是最早出現(xiàn)的快速成形工藝。其原理是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長（x=325nm）和強(qiáng)度（w=30mw）的紫外光的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，分子量急劇增大，材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。光固化成型是目前研究得最多的方法，也是技術(shù)上最為成熟的方法。一般層厚在0.1到0.15mm，成形的零件精度較高。光固化工藝的優(yōu)點(diǎn)是精度較高、表面效果好，零件制作完成打磨后，將層層的堆積痕跡去除。光固化工藝運(yùn)行費(fèi)用最高，零件強(qiáng)度低無彈性，無法進(jìn)行裝配。光固化工藝設(shè)備的原材料很貴，種類不多。光固化設(shè)備的零件制作完成后，還需要在紫外光的固化箱中二次固化，用以保證零件的強(qiáng)度。（

10、3）熔融擠出成型（簡稱FDM）蠟、ABS、PC、尼龍等為原料熔融擠出成型（FDM）工藝的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ABS、PC、尼龍等，以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結(jié)。每一個(gè)層片都是在上一層上堆積而成，上一層對(duì)當(dāng)前層起到定位和支撐的作用。隨著高度的增加，層片輪廓的面積和形狀都會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)形狀發(fā)生較大的變化時(shí)，上層輪廓就不能給當(dāng)前層提供充分的定位和支撐作用，這就需要設(shè)計(jì)一些輔助結(jié)構(gòu)“支撐”，對(duì)后續(xù)層提供定位和支撐，以保證成形過程的順利實(shí)現(xiàn)。這種工藝不用激光，使用、維護(hù)簡單，成本較低。用蠟成形的零件原

11、型，可以直接用于失蠟鑄造。用ABS制造的原型因具有較高強(qiáng)度而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、測(cè)試與評(píng)估等方面得到廣泛應(yīng)用。近年來又開發(fā)出PC，PC/ABS，PPSF等更高強(qiáng)度的成形材料，使得該工藝有可能直接制造功能性零件。由于這種工藝具有一些顯著優(yōu)點(diǎn)，該工藝發(fā)展極為迅速，目前FDM系統(tǒng)在全球已安裝快速成形系統(tǒng)中的份額大約為30。（4）分層實(shí)體制造（LOM）沒落的快速成型工藝LOM工藝稱為分層實(shí)體制造，由美國Helisys公司的Michael?Feygin于1986年研制成功。該公司已推出LOM-1050和LOM-2030兩種型號(hào)成形機(jī)。LOM工藝采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一層熱熔膠。（5）三維印刷（3DP）高速多彩的快速成型工藝三維印刷（3DP）工藝是美國麻省理工學(xué)院Emanual?Sachs等人研制的。E.M.Sachs于1989年申請(qǐng)了3DP（Three-Dimensional?Printing）專利，該專利是非成形材料微滴噴射成形范疇的核心專利之一。3DP工藝與SLS工藝類似，采用粉末材料成