3D打印熔滴沉積與傳統制造相結合技術發展前景

劉 偉

（陜西國防工業職業技術學院，陜西西安 710300）

3D打印技術具有制造復雜物品不增加成本，產品多樣化不增加成本，精確實體復制，現場制造，零時間交付，零技能制造，設計空間無限，材料無限組合，操作自動快捷、精確可控等優點[1-3]。

3D打印技術已成為高新制造業的核心技術。3D打印“金屬熔滴沉積技術”，無需價格昂貴的激光系統，運行費用很低，可靠性高，已應用于制造復雜原型及快速制模，是一種前景廣闊的金屬產品高效制造技術。3D打印技術用一道工序可以完成傳統成形方法中多道工序才能完成的部件制造，即可以打印出一個無論多復雜的部件來替代現在的若干個部件組合才能實現的功能。通過控制熔滴速率與掃描速度便可調節成形件的精度與速度的取舍。可實現多種材料同時成形，完成不同材料結合的零件打印[4-5]。

1 熔滴沉積3D打印技術研究現狀和發展趨勢

熔滴沉積3D打印技術最初是在20世紀九十年代初由美國麻省理工學院(MI1)和加州大學(UCI)首先提出的，是將噴墨打印技術的思想應用到制造領域而開發的一種新型快速成型技術。現已經在國內外進行了大量的研究。國外主要有加州大學Melissa等用鋁滴沉積得到的制件比純鋁塊抗拉強度提高30%，硬度提高100%。國內主要有西北工業大學、西安交通大學、清華大學等對這一技術進行了多年的探索。

根據試驗結果，通過調整工藝參數，制造出了壁厚為400 μm的微型薄壁結構。

以上研究工作表明運用微液滴沉積的制造方法成型微型薄壁金屬零件是可行的。

目前,研究者對該技術的研究主要集中在實驗設備的研制，以及通過實驗和數值模擬尋求工藝參數對成型質量、成型速率的影響。Haferl等人利用均勻熔滴發生裝置得到直徑100 μm的Sn63%Pb37%熔滴，并第一次對熔融熔滴與已固化熔滴碰撞過程的瞬時流體動力學、潤濕性和凝固等問題開展實驗研究[6-10]。

國內一些高校和科研機構[11-13]也對熔滴沉積增材制造技術進行了相關研究。

哈爾濱工業大學高勝東[14]等人研制了熔滴沉積增材制造的實驗裝置。

清華大學顏永年[15]等人以水為材料，使其在低溫環境中凝固成冰制成熔模冰型，研究了臨界凝固時間、噴射流量等工藝參數的優化問題，成功制造出了螺旋管、軸承座、連桿的冰型，并且有較高的表面精度。

中國科學技術大學高深[16]等人研制了八噴頭的組合溶液噴射合成儀，以組合的方法篩選新材料，以溶液噴射的方法在11×11（mm）陳列微孔的陶瓷基片上合成硅酸鹽長余輝熒光材料樣品庫，通過對樣品庫中各個樣品的光譜分析，很容易找出最佳長余輝材料要求的各種物質的比例，大大加快了新材料的篩選過程。

2 熔滴沉積3D打印技術原理

熔滴沉積制造技術是一種新型3D打印成形技術，它是利用零件CAD信息，通過計算機控制系統控制均勻熔滴的產生,逐點、逐層沉積到基板上制造出三維微小零件的一種增材制造技術（如圖1所示）。該技術可直接成形復雜三維結構，減少了傳統工藝在零件設計、制造過程中的約束條件，已成為無約束成形技術的一個新發展方向[17]。

圖1 熔滴沉積原理

熔滴沉積成形技術的理論加工過程如圖2所示。首先在計算機中生成零件的三維CAD模型，然后將模型按一定的厚度切片分層，將零件的三維信息轉換成一系列二維輪廓信息，用坩堝將金屬融化，從噴嘴流出形成的熔滴，然后在計算機的控制下，使其按照二維輪廓信息逐層堆積，得到三維實體零件或近形件。

圖2 微滴沉積微型薄壁結構

該技術具有制造柔性化程度高，省去了設計和加工模具的時間和費用，產品研制周期短、加工速度快；全部設計在計算機上完成，實際的制造過程也在計算機控制下進行，真正實現制造的數字化、智能化和無紙化等優點。

3 3D打印技術與傳統制造技術的有機結合

3D打印與傳統制造業的模具制造、澆注、加工等工藝流程融為一體，可以縮短產品的生產周期、降低生產材料的廢棄率，促進產品質量的提升和生產效率的提高。對于有些工藝，3D打印技術則可以取代傳統制造技術，例如飛機、核電（具體對比如表1所示）和火電等行業所使用的重型機械、高端精密機械裝備，傳統的焊接和零件加固的方法使得部件之間的連接并不牢固，但是使用3D打印技術，生產出來的產品是自然無縫連接，結構之間的穩固性和連接強度要遠遠高于傳統方法。因此，該技術在大型高端裝備制造方面應用前景非常廣闊。而對于形狀復雜的電力金具而言,部分零件使用傳統的方法制造,已經經歷了幾十年甚至幾百年,其技術已經很成熟,但是中間的連接部分可以采用3D打印技術,實現了3D打印與傳統制造有機合成技術,形成一條自動化生產線,可帶來設計理念的改變。過去因傳統加工方式的約束,而無法實現的復雜產品制造變為可能,可以大大提高零部件的集成度,簡化產品設計,是未來發展的趨勢所在[18-20]。

表1 傳統技術與3D打印技術制造某核電站蒸汽發生器（質量50 t）的區別

4 結束語

熔滴沉積3D打印技術作為整個3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術，是先進制造技術的重要發展方向。隨著科技發展及推廣應用的需求，3D打印與傳統制造業的模具制造、澆注、加工等工藝流程融為一體，可以縮短產品的生產周期、降低生產材料的廢棄率，促進產品質量的提升和生產效率的提高。利用快速成型直接制造金屬功能零件成為了快速成型主要的發展方向。

[1]黃衛東，林鑫.激光立體成形高性能金屬零件研究進展[J].中國材料進展, 2010, 29(6): 14-29.

[2]張安峰，李滌塵，盧秉恒.激光直接金屬快速成形技術的研究進展[J].2007.

[3]鎖紅波.揭開電子束快速成形技術的神秘面紗[N].中國航空報,2013.

[4]黃秋實，李良琦，高彬彬.國外金屬零部件增材制造技術發展概述[J].國防制造技術,2012 (5).

[5]陳君，張群莉，姚建華，等.金屬材料的激光吸收率研究[J].應用光學,2008,29(5):793-798.

[6]蔣小珊，齊樂華，羅俊，等.金屬微滴產生系統的設計與實現[J].中國機械工程, 2009 (15): 1775-1778.

[7]Yan-pu Chao et al.Manufacturing of micro thin-walled metal parts by micro-droplet deposition[J].Journal of Materials Processing Technology.2012 (212): 484–491.

[8]Qi Lehua, Jiang Xiaoshan, Luo Jun, Hou Xianghui.Dominant Factors of Metal Jet Breakup in Micro Droplet Deposition Manufacturing Technique[J].Chinese Journal of Aeronautics, 2010, 23(4): 495-500.

[9]肖淵，齊樂華，羅俊，等.金屬微滴形成過程圖像采集及關鍵參數測量[J].機械科學與技術, 2012, 31(010): 1564-1568.

[10]齊樂華，蔣小珊，羅俊，等.微滴沉積制造金屬射流斷裂狀態的影響因素研究(英文)[J].Chinese Journal of Aeronautics, 2010(4):015.

[11]楊毅，齊樂華，曾祥輝，等.熔滴噴射沉積制造中重熔過程的研究[J].西安交通大學學報, 2010, 44(008): 117-121.

[12]何禮君，張少明，張曙光，等.金屬射流受激斷裂的實驗研究[J].稀有金屬, 2004,28(1): 117-122.

[13]毛靖儒,俞茂錚,陳慶祝,等.運動液滴撞擊材料表面實驗裝置的研制和實驗測試技術的研究[J].試驗技術與試驗機,1991,32(2): 23-29.

[14]高勝東,姚英學,崔成松,等.金屬均勻液滴束流技術的應[J].材料導報，2006,2（1）：95-98.

[15]吳任東，魏大忠，顏永年,等.三維數字微滴噴射成形技術的發展現狀[J].新技術新工藝,2004(2):35-39.

[16]高深，黃孫徉，陳雷，等.液滴噴射技術的應用進展[J].無機材料學報,2004, 7(4):714-722.

[17]ZHANG Shu-guang, HE Li-jun, ZHU Xue-xin.Capillary wave formation on excited solder jet and fabrication of lead-free solder ball[C].Trans.Nonferrous Met.Soc.China.2005, 15(5): 997-1002.

[18]Hsuan-Chung Wu, Huey-Jiuan Lin, Weng-Sing Hwang.A numerical study of the effect of operating parameters on drop formation in a squeeze mode inkjet device[J].MODELLING AND SIMULATION IN MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING,2005(13): 17-34.

[19]T.W.Shield, D.B.Bogy, F.E.Talke.Drop formation by DOD ink一et nozzles: A comparison of experiment and numerical simulation[C].IBM 1.RES.DEVELOP, 1987, 31(1):96-110.

[20]V Butty，D.Poulikakos, J.Giannakouros.Three-dimensional presolidification heat transfer and fluid dynamics in molten microdroplet deposition[J].International Journal of Heat and Fluid Flow, 2002(23): 234-241.