3D打印技術研究現(xiàn)狀和關鍵技術

覃捷音

摘 要：隨著近年來我國科學技術水平的發(fā)展，3D打印技術也實現(xiàn)了顯著進步。針對目前國內(nèi)3D打印技術的不斷發(fā)展和完善，我們不能安于現(xiàn)狀，而是應該尋求發(fā)展和突破，從而在獲取顯著發(fā)展成績的同時，實現(xiàn)對項目的創(chuàng)新。基于此，本文就將對3D打印技術發(fā)展現(xiàn)狀和關鍵技術進行研究，希望對這項工作的開展提供有效幫助，實現(xiàn)我國3D打印技術行業(yè)領域的先驅(qū)發(fā)展。

關鍵詞：3D打印技術;現(xiàn)狀;關鍵技術

3D打印技術也是一種增材制造技術手段，和傳統(tǒng)的機加工手段有著較大差異，是在離散和堆積原理上實現(xiàn)的一種制作技術手段。這項技術借助計算機形成零件模板，從而將其切成一定厚度的薄片，在3D打印設備中有規(guī)律的堆疊出三維的零件。這種制作技術不需要借助道具或是模具，就能完成傳統(tǒng)技術無法實現(xiàn)的工藝手段，同時還可以在簡化生產(chǎn)工序的過程中，有效控制工作周期。針對這種情況，本文就將對3D打印技術的發(fā)展情況進行詳細研究，希望對這項工作的開展提供更準確的指導作用。

一、3D打印技術的定義

在2011年的時候，著名經(jīng)濟刊物將3D打印作為封面文章，主要對3D打印技術的發(fā)展情況進行介紹和研究，文中提到，在今后的社會發(fā)展中，將會有越來越多有個性的產(chǎn)品需要在3D打印技術的幫助下進行，因此3D打印技術的出現(xiàn)必然會對世界制造行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生重要影響[1]。這也讓國內(nèi)外新聞媒體認識到，今后3D打印產(chǎn)業(yè)將有著十分廣闊的發(fā)展前景，是今后我國研究和發(fā)展的重要技術之一。3D打印技術中涵蓋了很多技術，比如機電控制技術、數(shù)字建模技術等等，有著較高的科技含量。3D打印技術最突出的魅力就是這項技術不需要特定在工廠操作，此外在技術的發(fā)展和普及過程中，僅僅依靠桌面打印機也可以打印出小物品，而且，人們可以將其放在辦公室商場甚至臥室等等。針對自行車車架、汽車方向盤或是飛機零件等大型產(chǎn)品，則要借助更大的打印機和更大的放置空間對技術進行應用。由于3D打印技術可以在工作中不依靠各種機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，因此其不僅能為我們的生產(chǎn)生活提供便利幫助，還能極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本，所以在當前生活中的優(yōu)勢作用十分顯著。此外，3D打印技術在我國眾多領域中都得到了應用和發(fā)展，使得醫(yī)學、建筑等行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展都提供了更大的可能性。

二、3D打印技術在國外發(fā)展情況

在技術發(fā)展的幾十年中，3D打印技術得到了顯著進步與發(fā)展，打印工作中應用的材料品種不斷增加，這也使得打印結構出現(xiàn)了復雜化發(fā)展趨勢

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，3D打印技術已經(jīng)有了很多年的發(fā)展歷史，隨著第三次工業(yè)革命的發(fā)展，這一技術也受到了國內(nèi)外眾多公司、高校和研究院的關注，在二十世紀八十年代，美國一家公司研發(fā)出了第一款工業(yè)化的3D打印設備。在幾十年的研究和發(fā)展中，這一技術已經(jīng)實現(xiàn)了明顯發(fā)展和進步，無論是在材料厚度還是技術精準度上都已經(jīng)實現(xiàn)了較大進步。

在3D打印技術發(fā)展背景下，美國在上世紀九十年代也對激光熔融沉積成型技術進行了研究和發(fā)展。AeroMet公司在短短三年的時間內(nèi)就實現(xiàn)了3D打印技術在飛機零部件中的應用，這也在很大程度上推動了這項技術的進步與發(fā)展[2]。

三、3D打印技術在我國的發(fā)展現(xiàn)狀

由于我國對3D打印技術的研究和發(fā)達國家相比比較慢，所以在技術發(fā)展中仍然存在很多需要改進的地方，經(jīng)過大量工作人員的努力和創(chuàng)新，我國當前已經(jīng)初步形成了以高校為核心力量的發(fā)展格局，很多關鍵技術也得到了較大進步，在市場中更是構建起了相關的規(guī)模。

（一）構建起了高校為核心的技術研發(fā)體系

在我國發(fā)展中，像北京航天航空大學、北京大學等高等院校為了在技術發(fā)展中得到更大的優(yōu)勢，相繼構建了3D打印技術研究中心，這些高校目前研發(fā)和創(chuàng)新的3D打印機已經(jīng)基本達到了世界先進水平，這也成為了我國3D打印技術發(fā)展的重要動力[3]。比如，西北工業(yè)大學主要對金屬材料的科技研發(fā)進行創(chuàng)新。清華大學對ABS材料工藝的研究，都可以被有效應用在3D打印材料的研發(fā)和創(chuàng)新中。

（二）3D打印技術產(chǎn)業(yè)化進程顯著，構建了相關的產(chǎn)業(yè)市場

目前，針對高校和科學研究院的3D打印技術研究成果，發(fā)現(xiàn)我國已經(jīng)涌現(xiàn)出越來越多的增材制造設備單位和企業(yè)。比如北京太爾時代科技有限公司就在發(fā)展中實現(xiàn)了對控制系統(tǒng)、打印材料的有效研發(fā)，擁有了自主產(chǎn)權。針對我國對3D打印技術發(fā)展數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)，截止2015年，我國3D打印市場規(guī)模已經(jīng)超過50億美元，在2018年一年中，這一數(shù)據(jù)更是實現(xiàn)了翻倍增長，超過了100億美元。并且針對這一趨勢發(fā)展，在未來幾年中，我國的3D打印技術仍然會保持每年一倍的速度進行增長，也就是不出幾年就可以實現(xiàn)幾百億美元的突破。

（三）總體水平提升迅速，金屬3D打印技術處于全球領先位置

在近年來的發(fā)展中，3D打印技術逐漸受到了人們的關注和重視，因此這項技術也被越來越廣泛的應用到了各行領域中。所以3D打印技術更是受到了國家和科研人員的重視，這也是當前我國3D打印技術不斷發(fā)展和進步的重要基礎。由于很多3D打印技術生產(chǎn)出來的產(chǎn)品會存在一定變形、邊角翹起的情況，所以我國更是研發(fā)了相應的金屬3D打印技術，實現(xiàn)了激光成型技術的技術突破，將原本這些問題進行了有效改進，我國也成為了當前世界上最早選擇激光燒結技術對金屬零件問題進行處理的國家[4]。比如，北京航空航天大學的3D打印技術工作室和西北工業(yè)大學3D打印技術團隊在合作過程中，將這項先進技術應用有效應用于客機擋風窗中，大大降低了客機重量，提升了飛機運行的安全性。

四、3D打印的關鍵技術研究

（一）熔融沉積成型

這項技術主要是借助細絲狀的塑材料作為創(chuàng)新原料，借助擠壓噴手段，在軟件技術作用下完成逐層堆積，從而實現(xiàn)對實體零件的掌握。目前熔融沉積成型技術是一項最常見的3D打印技術，有著較為成熟的技術優(yōu)勢，和其他技術相比，這項技術成本比較低廉，應用范圍相對比較廣泛[5]。

（二）光固化立體成型

這項技術需要利用紫光對光敏聚合物進行逐層掃描，確保原本的液態(tài)形式轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，從而實現(xiàn)成型要求。這種技術手段的實體相對比較復雜，并且技術實現(xiàn)的精準度更高，但是需要花費較高的成本。

（三）分層制造技術

這項技術主要以超薄片作為基礎原料，并在每層薄片上都需要涂抹熱熔膠，從而將每個薄片粘合在一起，是一項全新的成型技術。這種技術通常被應用在面積較大的零件制造中。

（四）電子束選區(qū)熔化

這項技術需要在真空條件下進行，電子束是最主要的熱源，金屬粉末為主要材料，通過逐層對金屬粉末進行散布，只有這樣才能在電子束的熱作用下對金屬粉末進行熔化，實現(xiàn)材料的固化技術[6]。

五、3D打印的關鍵技術問題

（一）對3D打印粉末質(zhì)量和獲得量進行提升

通常情況下，對3D打印質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素比較多，包括材料流動性、粉末粒度、氣體含量等等。比如，3D打印技術對粉末適應性要求比較低，幾十到幾百微米范圍都能對其進行應用，細粉末通常適合應用在更精細的結構中，而粗粉末則更適合應用在大尺寸加工結構上，但是當粉末粒度小于40微米，粉末的穩(wěn)定性就將大大降低，不利于材料成型[7]。如果粉末粒度較大，則需要借助大功率設備開展工作，過多的熱輸入很容易對材料力學性能產(chǎn)生影響。此外，粉末價位也是對3D打印質(zhì)量產(chǎn)生影響的重要因素之一，特備是鈦合金細粉。在此種背景下，更需要研究人員不斷提升粉末質(zhì)量，從而實現(xiàn)獲得率的提升。

（二）制定合理的3D打印制件無損檢測技術規(guī)范

這一制度主要是針對金屬3D打印而言，金屬3D打印的本質(zhì)是焊接，但是對工作中出現(xiàn)的氣孔、裂縫問題并不能做到有效預防。在此種背景下，就需要構建起更適合3D打印零件的技術規(guī)范，從而對工作問題進行有效處理。此外，由于3D打印件的結構組成相對比較復雜，所以在實際工作中很容易對無損檢測技術帶來負面影響，甚至是麻煩。如果在此環(huán)節(jié)中仍然采用傳統(tǒng)工作形式進行檢測，很難對工作中的問題進行有效檢測，因此需要工作人員對全新檢測方式和裝備進行探索，在不斷創(chuàng)新和發(fā)展中提升技術水平。

（三）對3D打印設備的能力和研發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)進行完善

在對激光進行熔融沉積成型技術研究中，我們需要首先對送粉環(huán)節(jié)穩(wěn)定性的提升，這也關系著送粉器自身工作的穩(wěn)定性與精準度。但是，即便送粉系統(tǒng)十分精密，受到粉末質(zhì)量的影響，仍然會對打印的零件質(zhì)量產(chǎn)生影響。所以我們就需要針對監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化，實現(xiàn)對打印質(zhì)量的提升。

六、3D打印技術的發(fā)展前景

在2011年提出的3D打印技術權威報告中明確指出：目前全球范圍內(nèi)3D打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)業(yè)在未來二十年中將以每年26%以上的概率進行增加。在2020年，預測這一行業(yè)可以實現(xiàn)百億美元的突破。但是經(jīng)過實際研究，當前3D打印技術已經(jīng)處于一個明顯的瓶頸階段，所以要想實現(xiàn)對這項技術的規(guī)?；a(chǎn)，未來仍有很多工作需要完善，特別是技術上更要進行問題的突破。總而言之，在今后技術年發(fā)展中，3D打印技術的發(fā)展前景仍然十分廣闊。但是由于這項技術產(chǎn)業(yè)仍然存在不完善的情況，所以在短期內(nèi)不會得到更為顯著的發(fā)展。針對這種情況，需要加強對技術的研究和突破，從而為3D打印技術在市場中的發(fā)揮在那占據(jù)更大空間。

結束語

綜上所述，隨著第四次工業(yè)革命的發(fā)展，制造行業(yè)為了迎合市場發(fā)展趨勢也加強了對新技術的融合，比如先進的信息技術、材料技術、3D打印技術等等?？梢哉f隨著新材料的研究和應用，3D打印技術應用的范圍也將更為廣泛。雖然當前我國和一些先進歐美國家在技術發(fā)展上仍然存在較大差距，但是相信在高校創(chuàng)新和科研人員的不斷努力過程中，3D打印技術也將逐漸發(fā)展為一項健全、完善的產(chǎn)業(yè)化體系，并在今后群眾的生產(chǎn)生活中發(fā)揮更顯著優(yōu)勢作用，實現(xiàn)我國制造業(yè)發(fā)展水平的穩(wěn)定提升。

參考文獻

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