3D打印技術過程控制問題研究進展

董夢瑩

（江蘇省徐州技師學院，江蘇 徐州 221000）

引言

3D打印技術這一新興技術的出現、發展，并快速應用于零部件的生產，引起各國的重視，并加大在3D打印技術上的研究投入。3D打印技術相較于傳統的零部件制造，有著極高的效率與精準性，在實際生產過程中，不需要使用任何模具，也不需要使用刀具進行切割，降低了成本，符合現階段社會發展的需求，有著廣闊的應用前景。3D打印技術可以生產各種復雜的零部件，在降低生產成本的同時加快了生產的速度與準確性，有利于現代化建設。

1 3D打印技術原理

3D打印技術原理可以分為三個方面。一是軟件建模，利用CAD與PE等各種建模軟件可以設計出大部分零部件，3D打印技術很大程度上依靠于計算機科學技術的發展，隨著計算機科學技術的不斷發展，3D建模的質量也變得越來越精細。二是3D模型的分層，其原理為將三維物體的數據通過信息化技術轉化為二維的數據，3D打印技術可以對一個完整的三維模型進行多個層次的劃分與切割，并將其以二維數據的方式進行記錄、設計。在實際的3D打印過程中，對一個完整的三維模型劃分與切割的層次越多，所打造出的零部件尺寸準確度就越高，越接近于原始的零部件數據。在實際打印過程中，不僅要重視打印機設備，同時也要重視打印的材料。三是模型打印，3D打印技術可以對三維物體每一個分層的信息讀取、采集，可以有效地將液體、凝膠狀、粉末狀的材料甚至是生物活性細胞組織進行不同方式的結合，通過3D打印進行不同分層的積累，最終形成完整的零部件產品[1]。

2 3D打印技術的分類

3D打印技術多種多樣，如今人們已經掌握了3D打印的技術方法，3D打印技術也更加成熟。雖然不同的3D打印技術之間存在著較大的差異，但是最終所生產的零部件成品是一樣的。

2.1 熔融沉積成形技術

熔融沉積成形技術主要是利用各種熱塑性的材料，通過不斷提高溫度并大力擠壓，運用計算機進行監控，將這些熱塑性材料進行層層堆積，最終得到完整的零部件。這種熔融沉積成形技術是目前應用最廣泛的3D打印技術，可以有效降低成本，并且可以進行彩色打印。

2.2 光固化立體成形技術

光固化立體成形技術主要利用紫外激光對三維的液體進行掃描，實現對液體材料的3D打印，通過層層堆疊的方式，可以將原本復雜的液體零部件簡單化，并且可以有效提高零部件的精度，對打印的材料也可以進行重復利用。主要缺點是成本過高，無法形成大規模的工業化利用[2]。

2.3 分層實體制造技術

分層實體制造技術利用的原材料是一種薄片材料，在材料的表面涂上熱熔膠，然后利用計算機科學技術對每層進行切割、組裝，最終實現零部件的打印，這種技術可以快速打印出大尺寸的零件。但是，會造成大量的原材料浪費，而且最終零部件成品表面會出現大面積的粗糙現象。

2.4 電子束選區熔化技術

電子束選區熔化技術是在真空環境下進行，利用電子束將金屬粉末打印成型的技術。一個個細小的金屬粉末熔池中相互融合并凝固，最終形成一個完整的三維立體零部件。

2.5 激光選區熔化技術

激光選區熔化技術也是一種利用熱源將金屬粉末打印成型的技術。但是，在實際操作過程中，通過激光束的熱量打印出更為復雜且性能優異、表面光滑的零部件，缺點是無法打印出大尺寸的零部件[3]。

2.6 金屬激光熔融沉積技術

金屬激光熔融沉積技術利用激光束將金屬粉末輸入到激光成型表面的熔池中，通過不斷地移動激光束、更加精確地將金屬粉末進行熔融和凝固，最終獲得一個特殊的零件形態。這種金屬激光熔融沉積的技術雖然能夠打印較大尺寸的零件，但是不能打印較為復雜的零件。

2.7 電子束熔絲沉積成形技術

電子束熔絲沉積成形技術指的是在真空的環境中，利用電子束作為熱源，將金屬絲材作為原材料，按照特定的軌跡，直接制造出零部件的毛坯。這種技術可以高效地制造出零部件。最終成型的零部件可以保證內部質量，但是，對于外表面以及最終的成型狀態較差，且無法應用于塑性較差的材料。

3 3D打印技術控制系統分析

3.1 光聚合成型技術的控制系統分析

最早的3D打印技術控制系統是光聚合成型控制系統，這種3D打印技術控制系統，起源于1980年，之后歷經多年發展，如今已成為非常成熟并使用最普遍的3D打印技術。光聚合成形系統主要由兩大核心技術構成，分別是立體光固化技術和ployjet多噴射技術，光聚合成形系統中最終的操控平臺是由操作臺升降控制系統和光敏樹脂的液位測量與控制器共同組合而成的[4]。

在光聚合成型控制系統的應用初級階段，使用光敏樹脂液位進行監測與控制，從而幫助光聚合成型控制系統順利運行。這種控制系統是通過電腦控制激光系統完成對焦，進行掃描，激光系統會依照預先設定好的路線，通過對陣振鏡式進行逐層掃描。由于激光掃描系統無法掃描到液體形態的光敏樹脂，因此，當無法掃描時，光敏樹脂液位監測系統及控制系統將會下降，然后通過光敏樹脂涂層系統為其進行一層一層的光敏樹脂涂抹，對于一些黏性較大的光敏樹脂來說，需要通過刮平器一點一點地將其刮平，然后通過激光掃描系統進行下一層的掃描，這樣一層掃描完之后，將會裹上新的一層，最終構建形成一個三維立體模型，這個三維立體模型就是我們所需要制造的零部件。

3.2 激光粉末成型技術的控制系統分析

激光燒結技術也是帶有選擇性的，其核心是直接金屬激光燒結技術和選擇性的金屬激光熔化成形技術，二者共同結合產生了選擇性的金屬激光燒結技術，因此，可以把金屬激光的能量來源范圍加以擴大，甚至可以在實際操作流程中選擇金屬粉末顆粒中的較小粒子，有助于提高激光粉末成形技術。激光粉末成型技術的控制系統是由成型缸升降系統與鋪粉控制系統組合形成。打印最終零部件的粉末材料會通過鋪粉系統來將其均勻地撒在升降系統上，然后利用加熱系統加熱，從而將這些粉末逐層壓實。但是，在加熱過程中，需要保證粉末面充分受熱，確保在后續的打印過程中粉末的溫度可以滿足最終的打印溫度要求。利用計算機技術控制激光掃描裝置與振鏡型掃描裝置，確保二者的溫度達到最佳打印溫度。沿著二維軌跡運行的粉末材料進行掃描，并有選擇性地燒結成固體，形成零件層。然后降低升降裝置的溫度，保障零件層最終成型。利用鋪粉裝置將粉末材料均勻地鋪放在升降裝置上，利用加熱裝置不斷地對粉末進行擠壓和加熱，然后再對粉末進行掃描，形成一個新的零件層。將不同的零件層進行疊加，最終形成一個三維立體模型，即所需要打造的零部件。對于未達到參與燒結標準的粉末，回收到粉末缸之中，下次繼續使用。這樣做可節約自然資源，更加綠色環保。

4 3D打印技術的優點

3D打印技術用途廣泛，對于一些無法使用傳統的重型機器進行制造的精細化的細小零部件，如日常用的電視或電腦支架以及汽車的細小車架等，都可以使用3D打印技術完美打印出來，甚至對于一些大型的零部件，也可以使用大型3D打印機打印出來。因此，相較于傳統的零部件制造方式來說，3D打印技術具有更大的優勢。

利用3D打印技術制造的零部件更優于傳統的零部件制造方法，只需要利用計算機技術，在電腦中描繪出三維的立體圖像，就可以開始對零部件進行3D打印、制造，不僅節省了大量的人力、物力，還可以減少工人的工作時間，提高生產效率。應用3D打印技術可以降低資本投入，提高企業的利益，同時也減少了資源的浪費。因我國的大量鐵礦石及重要礦產資源都依賴于進口，3D打印技術可以為國家節省大量的資金。相較于傳統的零部件制造方式，3D打印技術可以生產出利用傳統零部件制造方式無法生產的復雜零部件，人們可以高效率地借助計算機技術設計出大量的符合實際需求的零部件產品模型，然后進行打印制造[5]。

利用3D打印技術可以加快零部件的生產過程，在節省自然資源的同時，又可以快速地生產出符合標準的零部件產品，并且不會像傳統的零部件制造方式那樣產生大量的工業廢料，有利于實現企業效益最大化。運用3D打印技術打印出的零部件產品精度更高，且價格低廉，可以提高企業的競爭力。相較于傳統工業生產出的零部件，3D打印技術生產的零部件質量更輕，能滿足人們對零部件產品的實際需求。相信在未來，隨著3D打印技術的不斷發展，未來的3D打印技術不僅局限于工業產品的打印，將更進一步進行生物打印，不僅可以還原歷史面貌，也可以為一些病人打印出義肢，幫助他們健康生活。甚至可以通過3D打印技術，利用食物原料打印出食物。

3D打印技術不同于傳統工人利用器械來加工零部件的工作方式，具有極高的靈活操作性與高效率性。利用3D打印技術打印出汽車的零部件，然后進行組裝，甚至可以直接打造出一臺可以真正行駛的汽車。3D打印技術應用于航天技術產業，可以打印制造航空起落架所需要的零部件。對于一些細小的零部件，利用3D打印技術可以很快地將其打造出來，節省了資金投入。

5 結語

隨著各種新型的3D打印材料及設備的不斷發展，其應用前景也將越來越廣闊，3D打印技術有可能成為未來工業革命的源頭。雖然我國多項3D打印技術處于世界領先水平，但是仍和發達國家有著較大的差距，因此，我國必須要在3D打印技術領域不斷地開拓進取，并建立起一套完善的零部件生產體系，加快我國工業化的進程。