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浅谈金属材料3D打印技术

发布时间:2018-07-23 01:07:21 文章来源:未来智讯    
    摘 要 随着中国制造2025的行动计划制定,作为制造行业最具有发展前景的金属3D打印技术,因其自身具备减少生产耗材、降低生产成本、可实现远程加工等特性,使得其重要性逐渐凸显出来。本文通过查阅国内外先进金属3D打印技术资料,从3D打印的种类和金属3D打印的现状简单阐述了金属3D打印技术,并详细分析了现阶段3D打印发展的关键技术和瓶颈,并对未来金属3D打印技术的发展进行了展望。
    关键词 3D打印技术;金属打印;中国制造2025;关键技术
    中图分类号 TP2 文献标识码 A 文章编号 2095-6363(2017)13-0106-02
    3D打印技术是一种快速成形技术,相对于传统机加工制造行业的减材制造,是一种增材制造方式,利用三维设计软件进行设计或者通过逆向工程采集相关数据转变为模型后,利用切片工具对其进行逐层平面切片,然后由3D打印机把不同的材料按切片的图形进行叠加,最终堆积成需要的实体的一种技术。随着科技的发展,材料技术的不断提升,3D打印材料也有了长足的进步,使得利用快速成形技术直接打印金属功能零件也得以实现,而且这一技术也将会成为金属加工的主要发展方向。3D打印技术也将会改变着人们传统的生产方式和生活方式,结合中国制造2025行动计划,我国也把这一技术提上日程,快速发展。
    1 3D打印技术的分类
    根据3D打印技术所采用的加工方法和材料目前主要分为以下几种。
    1)3DP技术。采用标准喷墨打印技术,材料多为液体,打印模型可以有多种色彩,样品可传递信息量较大。2)SLA立体平版印刷技术。多采用计算机对模型进行分层,并处理各分层截面及堆积路径信息进行逐层堆积,直到得到相应的三维实体模型。材料多为塑料,树脂等。这种方法打印速度快、能实现较高的自动化加工,形成实体的形状复杂,精度较高。3)FDM熔融层积成型技术。这种技术也是利用层积的方式,逐层打印,材料多为塑料,多用于打印小塑料件。4)SLS选区激光烧结技术。多用激光烧结技术对每层金属粉末在计算机控制下按照一定的路径进行烧结,层层堆积成型。这种方法工艺简单,材料可为金属,主要用于模具制造业的快速成型。5)DLP激光成型技术。类似于第二种的SLA立体平版印刷技术,不过它加工更快。材料多为塑料。
    2 金属材料3D打印技术的现状
    2.1 国外研究现状
    20世纪80年代后期开始,美国人首先由约翰霍普金斯大学、宾州大学和MTS公司联合对钛合金3D打印技术进行了研究,并取得把成果命名为“钛合金的柔性制造”技术。近年来,金属3D打印取得了长足的发展,到2016年全球金属打印机销量飞速增长40%左右,目前,国外金属打印技术先进代表有德国Trumpf和美国POM公司DMD505。它们已经取得很多实质性的进展,比如:对钛合金叶片的修复打印,力学性能已达到锻件水准,可以应用到民用和军用飞机上去。
    在生物技术上通过打印胎中婴儿,通过触摸3D打印技术打印出的超声波图像模型,2015年5月,巴西一位盲人母亲首次“亲眼看到”了其还未出生的儿子。
    2.2 国内研究现状
    20世纪90年代开始,国内西北工业大学、北京航空航天大学就开始对金属打印的研究,在钛合金和生物医疗方面有了一定的成就;清华大学在EBSM技�g方面也取得了突破;南京航空航天大学主要研究SLM技术,SLM技术的硬件系统、工艺特性和成型件力学性能等方面部分达到或接近国际先进水平。为推进3D打印技术的发展国家也制定了相应的文件和政策,大力支持3D打印技术的发展,并认清了和先进国家的差距,积极促进形成产业化。
    近10年来,我们的3D打印技术也取得了一些成就,比如GE中国研发中心的工程师们仍在埋头研究3D打印技术。就在这之前,他们刚刚用3D打印机成功“打印”出了航空发动机的重要零部件。与传统制造相比,这一技术将使该零件成本缩减30%、制造周期缩短40%。
    3 金属打印的关键技术
    3.1 难熔金属的3D打印
    像钨、钼、铼等材料熔点高,比如钨熔点是3 410℃,要把它们制成用于3D打印的球形粉末十分困难。但同时这些难熔金属又具有良好的耐高温、耐腐蚀性等特点,航空航天领域关键部件中得到应用。
    目前,金属球形粉末3D打印的相关设备与材料的核心技术主要控制在德、美、日等国,其金属球形粉末的制备已实现工业化生产,并建立了粉末原材料、制造产品的技术标准体系。近年来,我国在金属3D打印设备、制造工艺、过程控制、工艺稳定性等方面也取得显著进展,但材料方面的瓶颈问题一直没有取得重大突破,特别是超细3D打印难熔金属球形粉末在材料纯度、球形度、球化率以及批次稳定性等指标上,与发达国家有较大差距,难以满足我国航空航天等高端制造业的迫切需求。
    3.2 提高3D打印设备能力
    主要问题有,首先中国金属打印的成型大尺寸零件的打印尺寸范围有限,最大的设备也只能打印400mm×400mm×400mm的零件;其次效率较低,打印时间不能进行进一步压缩;最后打印质量不能得以保证,比如粗糙度最好只能达到Ra6.4左右,而传统加工方式最低能达到Ra1.6左右。因此,需要通过合理的实时加工监控系统及相应的先进打印技术提高其打印范围、打印速度和精度。
    3.3 制定相应的检测标准
    目前,金属打印还没有形成一定的检测标准和体系,不能像传统加工方式一样,对生产的产品进行合理有效的评价,比如不可避免的一些夹渣、气泡、裂缝等,没有具体的检测手段和工具,需要进一步研究。
    3.4 形成系统的使用寿命和使用方式数据库
    3D打印的未来对数据功能的依赖性很强烈。物联网意味着其使用者将能够远程获得并打印文件,同时能够创建令人难以置信的扫描并且分享印刷品。但是,让大数据与3D打印一起工作也会有更多的机会。3D打印可以帮助更多的生产商和研究者并能够让我们看到远远超出我们想象的扩展功能。因此,只有建立起合理的远程连接,并建立合理的使用方式数据库,才能推进3D打印的发展。
    对于3D打印技术的指数性增长是由于这个技术几乎在每个领域都有巨大影响。业余爱好者、国际制造商、医院、美国国家航空和宇宙航行局等几乎每个人都有使用。但是,如果没有数据科学,3D打印技术将只有有限的使用而且使用寿命会短很多。
    3.5 提高性价比
    金属材料的3D打印技术将对目前的机械加工方式的不能实现远程操作、很难实现复杂零件的加工、需要加工技术较高等缺陷有了很大的改善和创新,但是因其自身打印机的造价高昂而阻碍了这一技术的发展和应用,为了更好、更普及的服务于加工行业,降低设备价格,提高性价比成为目前金属材料3D打印的一个发展方向。
    4 结论
    金属材料3D打印技术,作为一种能够引领生产技术革命的先进加工技术,我国现阶段还处于初级发展阶段,为更好的服务于中国制造2025,提高和改善我们的制造加工水平,国家应加大投入,组织各个学科行业,共同研究发展,争取在各个领域应用取得突破,这将极大的改善我们的制造水平和生活、生产方式。本文从3D打印的种类和金属3D打印的现状简单阐述了金属3D打印技术,并详细分析了现阶段3D打印发展的关键技术和瓶颈。
    参考文献
    [1]史玉升.3D打印技术的工业应用及产业化发展[J].机械设计与制造工程,2016,45(2):11-16.
    [2]牛一帆.3D打印技术探究[J].塑料包装,2014,25(5):22-25.
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