淺析3D打印成形方法及在機械加工制造中的優勢

蔣龍 姚曉彤

摘要：本文從當前3D打印成形方法和它在機械加工制造應用優勢等方面著手，對現有的成形3D打印成形方法進行歸納總結，并在此基礎上對3D打印技術在機械制造加工領域的優勢進行闡述，并指出3D打印技術應該朝著功能化、高精度、高強度等方向發展。

Abstract： The current 3D printing forming method and its advantages in mechanical processing are presented in this paper. The existing 3D printing forming methods are summarized in the field of machinery manufacturing processing. Furthermore， 3D printing technology should be development in the direction of functional， high precision and high strength.

關鍵詞：3D打印;成形方法;機械加工制造

Key words： 3D printing;forming method;machining and manufacturing

中圖分類號：TH164? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0112-02

0? 引言

3D打印作為近年來興起的新型成形加工技術，與傳統加工工藝相比，具有數字化、快速性、工藝簡單等特點，在機械加工制造領域有著廣闊的應用前景[1，2]，但該技術在材料選用、產品強度和剛度方面還存在不足[3]，影響該技術的進一步發展。因此，為了更好地厘清其發展方向，本文對當前3D打印技術的主要成形方法進行總結，并對其在機械加工制造中的優勢進行歸納，為該技術在機械制加工造領域更好的發展應用提供思路。

1? 3D打印成形方法

3D打印不同于傳統的切削、鑄造等制造工藝，而采用增材制造的方式，利用材料的離散堆積原理來成形產品，該方式具有數字化、速度快、成本低等特點[4-5]。目前，國內外高校、科研院所對3D打印技術的開發和應用展開相關研究。為了對3D打印技術的發展和應用有更明確的認識，本文從3D打印技術成形方法和機械加工制造的應用優勢等方面展開論述，并對其進行總結、展望，圖1為3D打印流程圖[4]。

1.1 光固化成型方法（SLA）

光固化成形方法是一種常見的3D打印成形方法，它以光敏樹脂為原材料，通過激光器或光源發出光束對光敏樹脂進行切片信息的路徑掃描，使光敏樹脂吸收能量，產生化學反應而固化成形的一種工藝技術，該技術具有精度較高、成形速度快等特點[6]，但也存在設備昂貴和污染環境等問題，且成形后一般需要二次固化才能更好地進行生產應用[4]。

1.2 熔融沉積成形（FDM）

FDM成形技術是一種同步送料熔化成形工藝，最早由Scott C博士提出，它由伺服電機、送絲機構、噴頭、原材料、支撐材料等部分組成[4]，通過加熱噴頭，使噴頭內的材料加熱后融化，再以一定的壓力擠出至切片信息規劃好的路徑來成形，通過層層堆積、疊加，最終成形工件或產品。該技術具有成本低、清潔性好、后處理工藝簡單等特點，但也存在成形精度、表面質量不高等問題[7]。

1.3 激光選區燒結（SLS）

SLS燒結技術是將激光器作為能源，在已經鋪好的粉末上面按照規劃路徑進行掃描照射，使粉末達到融化點，進行燒結并與下方成形部分實現粘結。當成形后，工作臺面下降一定的高度重新按照切片信息進行燒結成形。在燒結完成后去掉多余部分粉末，再進行后續處理。該技術具有材料使用范圍廣、工藝簡單等特點，但也存在成形零件精度有限，成本較高，性能不太理想等缺點[8]。

1.4 激光選區熔化（SLM）

SLM技術是德國首先提出，該方法是通過激光按照切片信息路徑在基板上熔化粉末材料，并將它們成形的技術，在成形后成形缸體和粉末缸體分別下降和上升一定的距離，鋪粉裝置再重新進行鋪粉，進入下一個成形循環，直至成形工件。該技術具有成形材料范圍廣、利用率高、成形精度較高、表面質量較好等特點[9]。

1.5 激光近凈成形（LENS）

LENS成形技術由美國最早進行開發，可對復雜零件進行直接成形的技術。該技術集激光熔覆技術和快速成型技術為一體，對材料進行成形。它具有成形時間短、速度快、成形相對柔性化、材料范圍廣等特點，具有較高的應用價值[10]。

1.6 電子束熔絲沉積（EBDM）

EBDM成形技術最早由NASA開發，它是在真空環境中，通過電子束在金屬表面來形成熔池，在送絲機構的工作下，將材料運送到熔池處，按一定的運動軌跡來成形工件。該技術具有材料利用率高、成形快等特點，但是也存在應用環境受限、缺乏相關標準等問題[11]。

1.7 三維立體打印（3DP）

三維立體打印技術最早由麻省理工Cima M.J.和Scans E.M.等人在1992年聯合研發，它是一種基于噴射液滴來成形的一種打印工藝，它是在脈沖信號控制電磁閥開關的背景下，高壓氣體進入噴頭腔體內，瞬間擠壓出液滴，按照預定的路徑，噴射到成形基板的粉料上，通過層層堆積來打印成型產品。該技術具有無支撐、成形速度快等特點，但是打印出的產品強度、精度不高，不適宜用在一些高強度、高精度環境下[4，12]。

2? 3D打印在機械加工領域的應用優勢

由于3D打印技術具有較高的商業應用價值、智能化制造等優點，也具有快速用來對新產品進行設計驗證等功能優勢，為該技術在機械加工制造領域中的應用提供了可靠保證[13-14]。

2.1 智能化制造

在傳統的機械加工制造中一般先進行毛坯件的鑄造，然后根據零件圖紙擬定加工工藝，再進行相應的加工制造，整個加工過程智能化水平較低。而3D打印則是智能化的制造過程，它首先根據建模軟件進行建模，然后對零件模型進行處理，并根據處理信息進行打印成形，整個加工制造過程相較于傳統的機械切削加工方式，省去了毛坯、圖紙的制作、擬定加工工藝路線等步驟，而是直接根據計算機的處理的三維模型信息來打印成形零件，整個打印制造過程全程智能化。

2.2 經濟性好

在機械加工制造中，需要經常用到異形件、不規則件等非標準件，這些零部件由于屬于非標準件，適用范圍和數量都較少，但又不可或缺。在傳統制造方式下，對于這類型零部件只能進行單獨設計和加工制造，但這樣的加工制造方式需要耗費大量的財力、物力和人力，經濟性較差。而在3D打印制造過程中，在零部件在滿足強度和使用環境的前提下可直接用3D打印方法打印出相關零部件，應用到機械產品中，這樣不僅能夠縮短零部件制造時間，而且能夠降低制造成本，提升經濟性。

2.3 材料利用率高

傳統的機械加工，一般是在較大的毛坯件上進行切削掉多余部分來成形零部件，但這樣的加工制造方式會造成材料大量浪費，材料利用率低。而3D打印成形零件的方法相比于傳統機械加工方式來說，它采用增材制造的方式進行零部件的制造，在這個過程中材料基本沒有浪費，實現了材料的最大化利用，提升了材料利用率。

2.4 縮短產品開發驗證周期

產品驗證對于機械加工制造的產品來說，有著至關重要的地位。在過去，傳統制造方式下，產品的驗證周期比較長，它不僅需要大量設計零部件，還需要對這些零部件進行加工制造和組裝。在某些特殊情況下，一些新設計的特殊零部件，還需要新開發模具進行制造，在這種背景下，從設計到制造完成會產生較長的等待周期，導致整個新產品開發過程耗費時間過長，不利于企業快速將新產品推向市場。而3D打印技術能夠迅速按照新產品的零部件模型，通過增材制造的方式快速制造出來，從而以最短的時間完成對新產品的組裝驗證，大大縮短了新產品的開發驗證周期，為新產品快速推向市場提供了有力保證，圖2為美國Local Motors公司耗費44小時打印的汽車模型。

3? 結語

本文一方面通過對3D打印技術的成形方法進行分析，對不同成形方法進行對比總結，另一方面，針對3D打印技術在機械加工中的優勢進行歸納，得出該技術具有智能化制造、經濟性好、材料利用率高、縮短開發周期等特點。相信，隨著3D打印技術和信息技術的發展，3D打印技術必將朝著功能化、高精度、高強度的方向發展，其應用范圍必將越來越廣。

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