金屬零件3D打印技術的應用研究

萬海鑫　馬思遠

【摘 要】隨著科技的日新月異發展，各種高精尖技術的研發與應用對人們的生活生產產生了重大改變，極大地便利了人們的工作與生活。3D打印技術能夠打印出傳統打印技術難以打印的物件，其中金屬零件3D打印技術作為整個3D打印體系中的前沿技術，有著極其客觀的發展前景。基于此，文章將針對金屬零件3D打印技術的發展及其實際應用進行探究，以期為相關從業者提供參考借鑒。

【關鍵詞】金屬零件；3D打印技術；應用

中圖分類號： TH16 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）06-0045-002

【Abstract】With the rapid development of science and technology，the development and application of a variety of sophisticated technologies has brought about major changes in people's lives and production，which has greatly facilitated people's work and life.3D printing technology can print objects that are difficult to print with traditional printing technologies.Among them，3D printing technology for metal parts has a very objective development prospect as the leading edge technology in the entire 3D printing system.Based on this，the article will explore the development of metal parts 3D printing technology and its practical application，in order to provide reference for related practitioners.

【Key words】Metal parts；3D printing technology；Application

隨著科學技術的高速發展，各種高精尖技術的研發問世與投入使用層出不窮，其中3D打印技術憑借其強大的技術能力，在現代化的制造業中獲得了發展空間，并逐步成為了現代制造業不可缺失的重要生產力[1]。隨著3D打印技術的發展深入與逐步普及，過去習以為常的生活生產方式勢必會有所顛覆，作為前景無限的高新制造技術，其在金屬零件的制造過程中同樣展現出了促進推動的效果，憑借3D打印技術的快速成型優勢，應用3D打印技術的金屬零件制造業也逐漸向快速成型方向邁進。

1 金屬零件3D打印技術的產生

要探析金屬零件3D打印技術的產生，首先要對3D打印技術有所了解，同普通的打印技術相比，3D打印技術預期基本原理相同，然而所放入打印機中需要打印動的原材料有所不同，普通打印技術是在打印機中放入紙張、油墨等，而3D打印技術則是在打印機中放入金屬、陶瓷、塑料等，是構成所需制造物件的真正原材料，在計算機技術的輔助下，通過層層堆疊進而實現對物件的制造[2]。由于金屬零件有著復雜結構，且體積較小，而人工制造這類精密零件存在較高難度，因此可利用金屬零件3D打印技術對該問題予以解決。隨著近年來3D打印技術的發展成熟，各項技術難關被逐一攻破，使得3D打印技術在不同行業領域中的應用有了極高可能性，而金屬零件3D打印技術便是其中的典型實例，其研發到投入生產使用，大幅推進了人們的生活與工業生產。

2 金屬零件3D打印技術的發展

2.1 激光工程化凈成型技術

該技術特點為：對結構較為復雜的金屬功能零件與相關模具展開直接性的制造；能夠加工的金屬或者合金材料可選范圍大，同時能夠制造異質同體材料零件；可對熔點高、加工難度大的材料進行加工。在該技術系統當中，主要由送粉器、送粉頭以及保護氣路三大結構組成。其中，金屬粉末的流速由步進電機的轉速決定，為了提升粉末的流動速度，則需要將送粉器設置在2.5米的高度之上。？由送粉器送出的金屬粉末會被均勻地劃分為4份而進入粉頭，由粉頭對準激光聚焦點處進行噴射，進而逐步完成整個熔化堆積[3]。

2.2 激光選區熔化技術

該技術基本原理為：首先通過三維造型軟件對所需零件的三維模型進行設計，之后用切片軟件對其進行分層，得出各截面數據，進而填充掃描路徑，而制造設備便可結合掃描線去進行逐步填充，對激光束的選區進行精細化地控制，將各個層次的金屬粉末材料展開熔化，之后便一步步堆積成3D金屬零件[4]。在具體的成型過程中，需要將金屬粉末均勻平鋪在基板上，然后便可激光束結合指定層的填充掃描線，對基板上的粉末展開選區熔化，進而完成該層的全部加工，設備便會自動調出下一層數據繼續進行加工。

2.3 電子束選區熔化技術

該技術在加工過程中所應用的熱源主要是是高能電子束，通過對磁偏轉線圈展開操作而達到掃描成型的目的，加之電子束為真空環境，所以金屬粉末在堆積過程中可避免被氧化。該技術工作原理為：將金屬粉末攤鋪在鋪粉平面上且壓實處理，之后用計算機控制電子束對金屬粉末按照輪廓數據信息進行選擇性的熔化或燒結，通過層層堆積，直到整個金屬零件完全熔化或燒結完成。

段落修改

3 金屬零件3D打印技術的應用研究

現如今，與金屬零件制造相關的3D打印技術尚處于發展階段，但在這一階段依舊有許多較為先進的技術誕生，不同類型的金屬零件3D打印技術在特征與優勢方面有著相異表現，在具體選擇應用過程中，需結合金屬零件的實際制造情況。因此，下文筆者將選擇現今技術發展相對成熟的技術對金屬零件3D打印技術的應用情況展開研究。

3.1 EBSM技術（電子束選區熔化技術）的應用

EBSM技術是一種20世紀90年代研發并逐步得以發展的金屬零件3D打印技術，其制作成型的技術原理與DMLS/SLM技術相類似，區別就在于所使用的熱源存在差異。傳統的DMLS/SLM技術所使用的熱源為激光能量，而EBSM使用的技術工藝有著顯著差別。除此之外，EBSM工藝在能量利用方面有著極高效率，并且還具備無發射、聚焦便捷等優點，再加上與3D打印技術相結合之后，EBSM技術憑借其特有的技術優勢，能夠將金屬零件直接制作成型，從而受到了業內人士的熱切關注。通過研究實踐發現，在電子束選區的熔化工藝當中，電子束的加速電壓、掃描線、掃描速度這三者存在一定的線性關系，也即表明在適度調節掃描路徑及搭接率之后，能夠保證金屬零件獲得較高質量。在對試件的硬度拉升展開實驗的過程中能夠明顯看出，采用EBSM技術去成型金屬零件時，AI元素雖然損失會比較大，但其硬度與熔積高度并沒有直接聯系，并且金屬零件的硬度會比退火軋制板還要高。

3.2 LENS技術（激光工程化凈成型技術）的應用

LENS技術是SLS技術與LCF技術的兩者結合基礎上得以發展的，該技術的優勢就在于其加工成型適用大多數金屬材料，結合不同的金屬粉末形式去合理選擇激光功率，達到最佳融化效果，之后嚴格按照所設置的軌跡，在基板上分層沉積，最后所制造出的金屬零件有著良好的力學性能，不需要后續打磨加工便有著細致組織。早在上世紀末，LENS技術的概念便已提出，隨著國外專業研究機構對其研究的不斷深化，通過運用該項技術對奧氏體不銹鋼試件進行制造時，察覺到加工層數與試件硬度存在一定的反比關系。與此同時，有國外研究機構采用LENS技術去制造載重植入體的多孔與功能梯度結構，并且制造研究選擇了與人體相容性較高的合金，諸如鈦（Ti）、鎳（Ni）等，通過對研究結果進行分析發現，成品植入的使用壽命能夠達到7年以上，孔隙率最低超過70%。國內對于該項的研究應用也取得了不錯的進展，比如將該技術應用到了網絡鐵基金屬玻璃組件的制造過程當中，有效將其顯微下硬度提升到了9.61GPa。

3.3 SLM技術（激光選區熔化技術）的應用

SLM技術是一種金屬粉末快速成型技術，其工藝流程要比與其相似的SLS技術更為簡單，并且該技術的應用所加入的金屬材料通常會選用鎳基合金、貴金屬以及不銹鋼等成分組成較為單一的金屬粉末，通過激光束（能力密度110W/cm2）將所加金屬粉末快速且完全地融化，在預期設計下便能夠將其凝固成想要的零件形狀。采用SLM技術所加工形成的金屬零件，有著極為優良的致密性，因此可將其應用至航空航天、軍事武裝、珠寶加工等高精尖行業，在工業界有著極為可觀的發展前景。然而，在現階段由于受到多方面因素的制約，諸如材料屬性、成型環境以及制造設備等，導致最終制造成型的金屬零件容易出現不良缺陷特征。因此，國內外相關研究機構對出現此類現象的原因進行了分析總結，并對SLM技術的應用工藝進行了深入地改進與完善，由于該項技術在具體應用當中會對激光功率、掃描間距及速度、基板粉末厚度等一系列參數進行設置，所以在研究過程中通過不斷組合各項參數設置，從中發現這對金屬零件的成型質量影響并不大。而通過對出現缺陷的金屬零件的形狀進行觀察發現，大多表現為球化與翹曲變形，其中出現球化的關鍵因素在于金屬粉末未能完全融化，而由于受到表面張力作用，未完全融化的金屬液體則會有所翻卷，呈現球狀，最終制成的金屬零件便會存在球化缺陷，經過后續的不斷優化實驗得知，唯有在融化金屬粉末的過程中加大能量的輸入，才能夠有效避免球化缺陷的產生；倘若輸送能量過高，便會導致熱應力超出金屬粉末的承載強度極限，那么在后續的塑形環節便會產生變形，然而原因即便找出，但由于國內外目前對該熱應力的評估職能采取有限元的方法，通過模擬實驗校驗進行評估。

4 結束語

綜上所述，相較于國外發達國家已經發展極為成熟且先進的金屬零件3D打印技術而言，我國目前在這方面的應用尚處于初級階段，并且在金屬零件的制造市場尚未廣泛應用，除去專業研究的技術人員外，相關領域的負責人對該項技術尚處于一知半解狀態。為有效改變這一狀況，能夠研發出具有自主知識產權的金屬零件3D打印技術，則離不開國家與政府的支持，更離不開大規模的生產實踐與技術人員的努力。相信在不久的將來，隨著我國對3D打印技術的研究深入，勢必會在今后的生產制造中得到廣泛應用，進而全面助推我國制造業的穩健發展。

【參考文獻】

[1]彭湘， 楊芳， 伍浩. 基于金屬零件3D打印技術的應用研究[J].電子制作， 2016（9x）：35-35.

[2]王慶輝，孟凡榮.金屬零件3D打印技術的研究[J].信息記錄材料，2017，18（8）：35-36.

[3]樊鵬.金屬零件3D打印技術現狀及應用[C]//.全國地方機械工程學會學術年會暨海峽兩岸機械科技學術論壇.2017.

[4]楊永強，劉洋，宋長輝.金屬零件3D打印技術現狀及研究進展[J].機電工程技術，2013（4）：1-7.

[5]楊德建，劉仁洪.大型復雜金屬零件3D打印技術及研究進展[J].兵工自動化，2017，36（2）：8-12.