淺談關于3D打印金屬材料的技術應用

劉永利

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?隨著3D打印技術的出現，3D打印技術憑借自身所具備的減少生產材料、降低生產成本以及可實現遠程加工等特性，再加上打印材料的不斷豐富、直接生成成品理念的不斷形成以及功能的實現，使其一直被譽為制造行業最具有發展前景的生產制造技術。為了對3D打印技術現階段的關鍵技術以及瓶頸進行詳細的分析了解，通過對國內外3D打印技術資料以及3D打印技術的種類與金屬材料進行分析探討，對未來金屬3D打印技術的發展進行展望。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?3D打印;金屬材料;技術應用

[中圖分類號] ?TP334.8 ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ? [文章編號] ?2096-0603（2020）13-0184-02

雖然3D打印技術早在20世紀80年代就已經誕生，但是一直到20世紀90年代才得到真正應用。這種技術是一種快速成型技術，其與傳統的加工制造行業不同，3D技術更偏向于一種增材制造方式，其主要原理是通過對三維設計軟件進行合理的利用，并利用設計的原理將3D打印技術不斷應用，或者通過逆向工程采集相關數據轉變成相應的模型后，再利用切片工具對其進行逐層平面切片，最終堆積成所需要的實體。

一、3D打印技術金屬材料現狀

（一）國外金屬材料3D打印技術研究現狀

近年來，隨著金屬材料3D打印技術取得的發展，從20世紀90年代開始正式得到應用，直至現在，全球的金屬材料打印機銷售量一直呈上升趨勢。目前，國外金屬材料打印技術的先進代表主要有德國Trumpf以及美國POM公司DMD505，而我們通過這兩個先進代表取得的實質性進展，例如，對鈦合金葉片的修復打印技術，其力學性能已經達到能夠鍛件的水準，并且該技術已經達到可以應用在民用或軍用飛機上的要求。除了在制造方面的延伸發展，3D打印技術不斷創新，現在甚至已經可以應用到生物技術上面，通過觸摸3D打印技術，能夠對孕婦腹中胎兒進行超聲波圖像模型打印，這項技術2015年5月在巴西首次得到成功應用。

（二）國內金屬材料3D打印技術研究現狀

金屬材料3D打印技術自20世紀90年代起，我國就已經有相應的研究，并且在鈦合金和生物醫療方面也取得了一定的成就。而后，清華大學在對金屬材料3D打印技術的研究中，也取得了一定的成就，并且在EBSM技術方面更是取得了較為重大的突破。另外，我國南京航空航天大學在其主要研究的SLM技術以及其硬件系統、工藝特性和成型件力學性能等方面都取得了相應的突破，部分已經達到或者接近國際先進水平[1]。同時，近年來我國為了能夠推進3D打印技術的發展，國家根據實際情況制定了相應的文件并普及政策，大力支持3D金屬材料打印技術的發展。

二、當前3D打印技術的分類

當前，3D打印技術隨著不斷的創新發展，其針對不同的情況所采用的加工方法以及材料都存在著一定的差異，現目前有關3D打印技術的分類主要有以下幾種。

（一）3DP技術

3DP技術主即一種標準噴墨打印技術，這種打印技術的材料通常為液體，其打印出的模型可以通過多種色彩的形式進行呈現。其主要的技術原理是通過對噴射粘結劑粘結粉末形成制件實體，這種3DP技術在進行模型打印中的具體工作流程為：首先通過控制系統對噴頭進行有效的控制，并使其按照所給的一層截面信息在事先鋪好的一層粉末材料上進行選擇性的粘結劑噴射。當每一層截面薄層形成后，工作臺就會根據所給出的數據指令進行下降再次循環粘結劑的噴射工作，重新形成新的一層薄層，并通過這樣的不斷循環，一直到所需薄層全部形成完畢[2]。通常情況下，經由3DP技術打印出來的制件都還需要進行相應的后續處理，才能夠達到各類應用對強度上的要求。

（二）SLA立體平板印刷技術

SLA立體平板技術通常多采用計算機對模型進行分層，并且能通過計算機來對打印制件各分層截面以及堆積路徑信息進行相應的處理，最終得到相應的三維實體模型。這種通過SLA立體平板印刷技術所打印出來的石頭模型材料通常多為塑料以及樹脂等，同時這種打印技術具備打印速度快、能夠對較高的自動化加工進行實現的特點，最終形成的實體模型的形狀也較為復雜，精度較高。

（三）SLS選區激光燒結技術

SLS選區激光燒結技術，顧名思義，這種打印技術主要采用的打印方法即是通過對激光進行利用，使激光對每層金屬粉末在計算機的控制下按照一定的路徑進行燒結從而層層堆積成型。并且這種打印技術相較其他打印技術，其采用的方法工藝簡單，材料也多為金屬，主要應用于模具制造業的快速成型。

三、金屬打印的關鍵技術

（一）難熔金屬的3D打印

眾所周知，不同金屬之間的熔點存在不同的差異，有些金屬熔點較低，就很容易被融化，而一些金屬熔點較高，在對其進行相應加工時，就會出現難以融化等現象。在金屬材料3D打印中，也同樣存在著相應的問題。例如，鎢、鉬、錸等金屬材料，其熔點都較高，對其進行相應加工融化時就較為困難，比如其中鎢的熔點就高達3410 ℃，正常情況下如果將其制成用于3D打印的球形粉末就較為困難。但是，通常事物都具有兩面性，這些難熔金屬也是一樣，由于難熔金屬的熔點較高，其也就具備耐高溫、耐腐蝕等特點，這類金屬材料也多被應用在航空航天領域關鍵部件中[3]。目前，有關金屬球形粉末3D打印的相關設備及其材料的核心技術主要被德國、美國以及日本等國家控制，并且金屬球形粉末的制備已經實現工業化生產。雖然在近年來，我國在金屬3D打印設備、制造工藝以及過程控制與工藝穩定性等方面都取得了較為顯著的進展，但在相關材料方面仍然存在一定阻礙，尤其是對超細3D打印難熔金屬球形粉末的材料純度以及求化率等方面指標上，與德國、美國以及日本等國家仍存在較大的差距。

（二）提高3D打印設備能力

目前，國內對金屬材料3D打印技術仍然存在著一定的問題，而這些問題的存在，也在一定程度上對3D打印技術的突破發展造成了阻礙，而如何有效解決此類問題，提高3D打印技術能力成了當前的主要研究方向。其中，對當前國內對金屬材料3D打印的主要問題包括當前中國金屬打印的成型大尺寸零件的打印尺寸范圍有限，當前國內對該類成型大尺寸零件的打印只能打印出400 mm×400 mm×400 mm尺寸。另外，目前3D打印設備的效率普遍較低，在進行打印的同時，不能夠做到進一步的壓縮工作，并且在對最后打印出的模型等的質量控制也存在一定的不足，不能夠完全保證打印質量。例如，在對3D打印出成型的模型粗糙度的把控方面就存在一定的不足，比如對粗糙度的控制最好只能夠達到Ra6.4左右，而在傳統的加工方式中，對粗糙度的把控最低只能夠達到Ra1.6左右。因此，針對當前國內金屬材料3D打印技術中所存在的問題，必須通過3D打印技術中的打印范圍、打印速度以及打印精準度等方面進行相應的調整，從而合理有效地提高3D打印設備能力。

（三）制定相應的檢測標準

當前，對金屬材料3D打印技術還沒有一定的檢測標準以及體系形成，因此，在對3D打印質量的把控上不能夠直接像傳統加工方式一樣直接對最終打印成型的產品進行合理有效的評價。例如在對打印過程中一些類似夾渣、氣泡等不可避免的問題出現時，并沒有具體的檢測手段以及工具來對其進行合理的檢測，因此并不能夠直接對最終打印成型的產品進行合理有效的評價。而針對這一問題，最好的解決方法就是制定好相應的檢測標準。

（四）形成系統的使用壽命以及使用方式數據庫

隨著信息技術時代的飛速發展，在這一時代背景下的3D打印技術也自然深受信息技術的影響，在目前，無論是3D打印技術，還是其他領域的創新，都是基于信息技術的發展而進行的，而基于信息技術的數據功能也自然成為3D打印技術發展創新的關鍵。雖然在當前時代，物聯網的逐漸完善，使相關的使用者能夠遠程獲得并打印相應文件，但是通過將大數據與3D打印技術相互融合，加上3D打印技術幾乎在當前社會上的所有領域所存在的影響，也同樣能夠使更多的生產商以及研究者們能夠看到遠超我們想象的擴展功能。因此，要有效推動3D打印技術的發展，就必須建立起合理的遠程連接并成立使用方式數據庫[4]。另外，隨著3D打印技術的發展，在各個領域中的應用越來越廣泛，無論是個人還是制造商或者航空、醫學等領域對3D打印技術的使用也越來越多，如果沒有合理地建立有效數據庫，久而久之也就很容易出現各種問題，3D打印技術的使用壽命也就會縮短，這也體現出在3D打印技術中，延后系統的使用壽命以及建立合理的使用方式數據庫的重要性。

綜上所述，本文通過對國內外3D打印金屬材料的現狀進行分析，我們能夠了解到，隨著3D打印技術的不斷創新發展，所涉及的領域也在不斷擴展，甚至在生物醫學領域也應用比較廣泛，例如，通過觸摸3D打印技術能夠對孕婦腹中胎兒進行超聲波圖像模型打印，就是3D打印技術在生物醫療領域中較為成功的應用。近年來，無論是國內還是國外，對3D打印技術的研究從未停止過，國內出臺各項政策支持3D打印技術的發展，加大3D打印技術的研究。而通過本文對當前3D打印技術的種類以及金屬材料3D打印的現狀、金屬材料3D打印的關鍵技術進行的探討分析，能夠發現在目前，我國對3D打印技術的研究發展在不同領域都取得了一定的突破，而這些突破都在一定程度上對我們國家的制造水平以及生活、生產方式都進行了一定程度的革新。

參考文獻：

[1]趙北晗.淺談3D打印技術及應用[J].無線互聯科技，2015（6）：132-134.

[2]張濤.淺談3D打印技術在機械制造領域的應用研究[J].內燃機與配件，2019（5）：210-211.

[3]程俊廷，張懌，盧建軍.淺談3D打印技術的應用與發展[J].機電信息，2018（27）：96-97，99.

[4]王夢.淺談3D打印技術應用于金屬加工[J].現代制造技術與裝備，2016（1）：115-116.

編輯 馬燕萍