3D打印技術研究

柳興惠

摘 要：3D打印技術已經步入日趨成熟的狀態，本文主要介紹3D打印技術的種類與優點，并在此基礎上將3D技術工藝與傳統技術工藝做對比并提出3D技術工藝的發展阻力。

關鍵詞：3D打印工藝;發展瓶頸;選擇性激光粉末;燒結

3D打印技術是一種快速成型的技術，又被稱為增材制造，該項技術可以通過計算機算法快速形成模型，實用性極強。應用領域很廣泛，比如教學，人體骨骼器官的形成，航空零件的制造等。

一、3D打印工藝種類

如今打印工藝主要有這幾類：分層實體制造、熔融沉積制造、激光固化、選擇性激光粉末燒結。

（一）分層實體制造

分層實體制造又被稱為LOM工藝，它屬于增材制造里的重要部分，他所包含的技術有計算機、機械、數控、高分子材料等。由材料傳輸裝置、熱壓黏貼裝置、光學掃描儀、器、升降臺、控制系統組成。他的工作原理是LOM技術采用比較薄的材料進行加工。首先在薄層上涂一層熱熔膠。在進行處理時，通過熱壓輥對片材進行碾壓并加熱，讓上面的一層材料與下面成型的材料進行貼合，再通過CO2激光器在已經成型的層面上切割出上下兩部分對齊的格子;切割工序完成后，工作臺帶動已經冷凝成型的工件向下移動，與長條狀片材離開;上料裝置通過調動收料軸，使傳送帶進行移動，進而讓剛剛成型的一面傳送到加工區;工作臺開始工作;熱壓輥進入工作狀態，工件的層數不斷增加，激光切割機在行新的一面加工出新的輪廓。不斷重復這道工序直到零件成型。

（二）熔融沉積成形

此種工藝也被稱作FDM工藝，其工作原理是長條材料通過傳送裝置不停的送到加熱裝置（噴嘴），計算機根據分層面的信息使噴嘴按照預定的速度和軌跡進行移動。熔化了的材料從噴嘴中被擠出來與下面一層材料粘合，被擠出的材料在空氣中冷卻成形，每形成一層噴嘴或工作臺都會上下移動一段距離。FDM工藝是由美國公司stratasys開發出來，他所使用的是聚合材料，這種材料具有價格低廉的特點。

（三）激光固化

這種工藝是采用液態光敏樹脂作為原料，其流程是首先通過SolidWorks設計出產品的外形，再進行切片處理，設計出掃描路徑，處理后的數據會存到打印系統里，再通過打印系統將數據傳輸到掃描器和升降臺，然后機器按照設計人員事先設計好的設計的軌跡將激光射到加工面上，從而形成一層固化層，再調整升降臺高度進行第二次固化。直到最后形成完整的零件。

（四）選擇性激光燒結

選擇性激光燒結又被稱作SLS，他主要通過激光的高溫照射進而對粉末狀的材料進行燒結，其工作原理是通過3D打印機對材料進行一層層的鋪平堆積然后進行一層層的燒結。工作流程為鋪粉軸先在機器內部對材料進行鋪平堆積，然后操作者根據材料的特性將要加熱的溫度數據輸入機器控制系統里，這樣可以更好的讓材料熔化，進而得到更好的均勻性的材料，最后得到滿足要求的零件，該項工藝最大的特點是可以對復合、單一的都可以進行打印，而且得到的產品力學性能比較好，塑性、韌性也要好一點，而且可以打印的材料選擇也比較廣泛。

選擇性激光燒結的設備主要有以下幾個部分組成：激光單元主要包括：激光發射器，鋪粉單元主要包括：粉末、粉末缸活塞、鋪粉輥，加熱單元包括電阻加熱器和熱電偶。

二、3D打印工藝的特點

（一）形狀設計方面不受限制

在傳統領制造領域里我們的制造技術生產的產品形狀非常有限，普通的機床只能生產圓狀零件，其他的一些復雜的形狀只能用鑄造來形成，然而鑄造成型的工件也有很大的缺陷，比如模具單一，再比如鑄造所用的材料就是鑄鐵，而鑄鐵的特性是硬度大，塑性、韌性差、強度不高。這些都是制約傳統制造工藝生產滿足要求的形狀復雜零件。

（二）工人技能培養成本低

在傳統制造工藝里我們需要投入很大的成本去培養一名合格的技術工人，比如一名車床工從實習到正式上崗再到比較熟練的掌握車床技術需要兩年的時間，然而如果3D打印解決目前的一些發展阻礙，那么我們的3D技術則會降低培養工人的成本，而且我們加工的零件精度會更高，而且3D打印技術會向著操作簡單的方向發展。

（三）減少廢棄副產品

3D打印技術與傳統工藝比較，3D打印工藝會節省很多的原材料，傳統制造工藝對材料加工的浪費非常之大，接近89%原材料會被丟棄，所以這是3D打印工藝特別明顯的優點，這種工藝特別適合對一些價格高昂的材料進行加工，如果打印材料得到改善那么3D打印工藝將有非常大的發展空間。

三、與傳統工藝相比較3D打印的缺陷與發展瓶頸

目前3D打印的產品大部分強度不足，在傳統工藝里一個零件的生產需要經過下料、鍛造，預備熱處理，機加工、如果是低碳鋼則需要進行滲碳再進行淬火最后進行低溫回火。中碳鋼加工過程是下料鍛造，預備熱處理（正火），機加工，由于中碳鋼的綜合力學性能比較好，所以直接淬火加中溫回火。僅以這兩個例子我們看出一個材料在傳統工藝生產中要想得到可靠的性能需要進行鍛造和不同熱處理。

在3D打印技術對不銹鋼進行打印時通常采用的是選擇性激光粉末燒結，但是燒結的產品中會出現熱傳導不均勻產生較大應力材料中的空氣沒能及時排出而導致貫穿性裂紋，再比如給料不均勻會導致同一工件不同處致密度產生很大差異。再者激光選擇粉末性燒結技術原料來源是建立在粉末狀的金屬顆粒，然而在冶煉后的金屬都是大塊的固體金屬，如果想利用3D打印技術加工一個零件則需要將金屬粉碎并且顆粒的直徑還需要達到標準，這樣就大大損耗了更多的能源。

3D打印目前能夠解決的是成品的成分均勻性和致密度，直接得到想要的微觀結構的技術目前還停留在實驗室。想要在工業方面得到充分發展還需要很長的一段路要走。

參考文獻：

[1]房鑫卿.3D打印技術的發展歷程及應用前景[J].輕工科技，2019，35（05）：77-78.