淺談金屬材料3D打印技術

趙春陽

河南省交通高級技工學校，河南駐馬店 463000

摘 要 隨著中國制造2025的行動計劃制定，作為制造行業最具有發展前景的金屬3D打印技術，因其自身具備減少生產耗材、降低生產成本、可實現遠程加工等特性，使得其重要性逐漸凸顯出來。本文通過查閱國內外先進金屬3D打印技術資料，從3D打印的種類和金屬3D打印的現狀簡單闡述了金屬3D打印技術，并詳細分析了現階段3D打印發展的關鍵技術和瓶頸，并對未來金屬3D打印技術的發展進行了展望。

關鍵詞 3D打印技術；金屬打印；中國制造2025；關鍵技術

中圖分類號 TP2 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）13-0106-02

3D打印技術是一種快速成形技術，相對于傳統機加工制造行業的減材制造，是一種增材制造方式，利用三維設計軟件進行設計或者通過逆向工程采集相關數據轉變為模型后，利用切片工具對其進行逐層平面切片，然后由3D打印機把不同的材料按切片的圖形進行疊加，最終堆積成需要的實體的一種技術。隨著科技的發展，材料技術的不斷提升，3D打印材料也有了長足的進步，使得利用快速成形技術直接打印金屬功能零件也得以實現，而且這一技術也將會成為金屬加工的主要發展方向。3D打印技術也將會改變著人們傳統的生產方式和生活方式，結合中國制造2025行動計劃，我國也把這一技術提上日程，快速發展。

1 3D打印技術的分類

根據3D打印技術所采用的加工方法和材料目前主要分為以下幾種。

1）3DP技術。采用標準噴墨打印技術，材料多為液體，打印模型可以有多種色彩，樣品可傳遞信息量較大。2）SLA立體平版印刷技術。多采用計算機對模型進行分層，并處理各分層截面及堆積路徑信息進行逐層堆積，直到得到相應的三維實體模型。材料多為塑料，樹脂等。這種方法打印速度快、能實現較高的自動化加工，形成實體的形狀復雜，精度較高。3）FDM熔融層積成型技術。這種技術也是利用層積的方式，逐層打印，材料多為塑料，多用于打印小塑料件。4）SLS選區激光燒結技術。多用激光燒結技術對每層金屬粉末在計算機控制下按照一定的路徑進行燒結，層層堆積成型。這種方法工藝簡單，材料可為金屬，主要用于模具制造業的快速成型。5）DLP激光成型技術。類似于第二種的SLA立體平版印刷技術，不過它加工更快。材料多為塑料。

2 金屬材料3D打印技術的現狀

2.1 國外研究現狀

20世紀80年代后期開始，美國人首先由約翰霍普金斯大學、賓州大學和MTS公司聯合對鈦合金3D打印技術進行了研究，并取得把成果命名為“鈦合金的柔性制造”技術。近年來，金屬3D打印取得了長足的發展，到2016年全球金屬打印機銷量飛速增長40%左右，目前，國外金屬打印技術先進代表有德國Trumpf和美國POM公司DMD505。它們已經取得很多實質性的進展，比如：對鈦合金葉片的修復打印，力學性能已達到鍛件水準，可以應用到民用和軍用飛機上去。

在生物技術上通過打印胎中嬰兒，通過觸摸3D打印技術打印出的超聲波圖像模型，2015年5月，巴西一位盲人母親首次“親眼看到”了其還未出生的兒子。

2.2 國內研究現狀

20世紀90年代開始，國內西北工業大學、北京航空航天大學就開始對金屬打印的研究，在鈦合金和生物醫療方面有了一定的成就；清華大學在EBSM技術方面也取得了突破；南京航空航天大學主要研究SLM技術，SLM技術的硬件系統、工藝特性和成型件力學性能等方面部分達到或接近國際先進水平。為推進3D打印技術的發展國家也制定了相應的文件和政策，大力支持3D打印技術的發展，并認清了和先進國家的差距，積極促進形成產業化。

近10年來，我們的3D打印技術也取得了一些成就，比如GE中國研發中心的工程師們仍在埋頭研究3D打印技術。就在這之前，他們剛剛用3D打印機成功“打印”出了航空發動機的重要零部件。與傳統制造相比，這一技術將使該零件成本縮減30%、制造周期縮短40%。

3 金屬打印的關鍵技術

3.1 難熔金屬的3D打印

像鎢、鉬、錸等材料熔點高，比如鎢熔點是3 410℃，要把它們制成用于3D打印的球形粉末十分困難。但同時這些難熔金屬又具有良好的耐高溫、耐腐蝕性等特點，航空航天領域關鍵部件中得到應用。

目前，金屬球形粉末3D打印的相關設備與材料的核心技術主要控制在德、美、日等國，其金屬球形粉末的制備已實現工業化生產，并建立了粉末原材料、制造產品的技術標準體系。近年來，我國在金屬3D打印設備、制造工藝、過程控制、工藝穩定性等方面也取得顯著進展，但材料方面的瓶頸問題一直沒有取得重大突破，特別是超細3D打印難熔金屬球形粉末在材料純度、球形度、球化率以及批次穩定性等指標上，與發達國家有較大差距，難以滿足我國航空航天等高端制造業的迫切需求。

3.2 提高3D打印設備能力

主要問題有，首先中國金屬打印的成型大尺寸零件的打印尺寸范圍有限，最大的設備也只能打印400mm×400mm×400mm的零件；其次效率較低，打印時間不能進行進一步壓縮；最后打印質量不能得以保證，比如粗糙度最好只能達到Ra6.4左右，而傳統加工方式最低能達到Ra1.6左右。因此，需要通過合理的實時加工監控系統及相應的先進打印技術提高其打印范圍、打印速度和精度。

3.3 制定相應的檢測標準

目前，金屬打印還沒有形成一定的檢測標準和體系，不能像傳統加工方式一樣，對生產的產品進行合理有效的評價，比如不可避免的一些夾渣、氣泡、裂縫等，沒有具體的檢測手段和工具，需要進一步研究。

3.4 形成系統的使用壽命和使用方式數據庫

3D打印的未來對數據功能的依賴性很強烈。物聯網意味著其使用者將能夠遠程獲得并打印文件，同時能夠創建令人難以置信的掃描并且分享印刷品。但是，讓大數據與3D打印一起工作也會有更多的機會。3D打印可以幫助更多的生產商和研究者并能夠讓我們看到遠遠超出我們想象的擴展功能。因此，只有建立起合理的遠程連接，并建立合理的使用方式數據庫，才能推進3D打印的發展。

對于3D打印技術的指數性增長是由于這個技術幾乎在每個領域都有巨大影響。業余愛好者、國際制造商、醫院、美國國家航空和宇宙航行局等幾乎每個人都有使用。但是，如果沒有數據科學，3D打印技術將只有有限的使用而且使用壽命會短很多。

3.5 提高性價比

金屬材料的3D打印技術將對目前的機械加工方式的不能實現遠程操作、很難實現復雜零件的加工、需要加工技術較高等缺陷有了很大的改善和創新，但是因其自身打印機的造價高昂而阻礙了這一技術的發展和應用，為了更好、更普及的服務于加工行業，降低設備價格，提高性價比成為目前金屬材料3D打印的一個發展方向。

4 結論

金屬材料3D打印技術，作為一種能夠引領生產技術革命的先進加工技術，我國現階段還處于初級發展階段，為更好的服務于中國制造2025，提高和改善我們的制造加工水平，國家應加大投入，組織各個學科行業，共同研究發展，爭取在各個領域應用取得突破，這將極大的改善我們的制造水平和生活、生產方式。本文從3D打印的種類和金屬3D打印的現狀簡單闡述了金屬3D打印技術，并詳細分析了現階段3D打印發展的關鍵技術和瓶頸。

參考文獻

[1]史玉升.3D打印技術的工業應用及產業化發展[J].機械設計與制造工程，2016，45（2）：11-16.

[2]牛一帆.3D打印技術探究[J].塑料包裝，2014，25（5）：22-25.