3D打印技術研究現狀和關鍵技術概論

楊云

摘 要 3D打印技術是現代制造技術中的一項新技術，近年來，我國逐步加大了3D打印技術的研發及資金投入，在許多關鍵技術上取得了良好的效果。本文首先介紹了3D打印技術的概念，闡述了3D打印技術在我國的研究現狀，并論述了3D打印的關鍵技術及其關鍵技術的研究和探索。

關鍵詞 3D打印技術;研究現狀;關鍵技術

3D打印的思想起源于19世紀的美國，20世紀80年代得到了發展及普及。與傳統生產過程中使用的“減材加工”方法相比，3D打印是一種“增材制造”技術，它結合了計算機軟件、材料、機械等領域的系統性和綜合性特點，采用粉末金屬或線材塑料等可黏合材料，通過逐層堆積的選擇性黏結來制造實體零件，能省去煩瑣的工序，快速打印出復雜形狀的零件[1]。

13D打印技術概念

3D打印技術是一種制造過程，利用實體材料將讀取的信息逐層打印出來，再將其以各種方式粘合起來制造出實體，縮短了大量制造時間，提升了成品精準度，現逐漸用于產品或零部件的直接制造[2]。

23D打印技術在我國的研究現狀

（1）目前，我國3D打印技術研發以高校為中心。在我國發展中，如北京航天航空大學、北京大學等高等院校為了在技術發展中得到更大的優勢，相繼構建了3D打印技術研究中心，這些高校目前研發和創新的3D打印機已基本達到了世界先進水平，這也成為我國3D打印技術發展的重要動力。

（2）3D打印技術的發展使小型的市場已成形。如今，依靠各個高校的研發中心得到的成果及一些專業的研發機構所開發的相關技術，我國已擁有較多的增材裝置及其服務的企業。例如，北京的一些公司可自主研發一些技術所需要的控制裝置和機械系統，甚至是用于打印技術的原材料，且擁有自主產權，這也是3D打印較為核心的技術。

（3）總體水平迅速提升，金屬3D打印技術位居全球領先地位。當前，3D打印技術被越來越多地運用到各個領域中，所以，3D打印技術引起了國家及科研工作者的高度重視，我國3D打印技術的總體水平持續增強。因不少3D打印材料打印出以后的成形品往往會存在變形、節點部分開裂、邊角容易翹曲等現象，但我國的高性能金屬零件激光成形技術將諸多難題一一攻克，我國目前也成為世界上第一個能借助選擇性激光燒結技術來研發制造大型金屬零件的國家。比如：北京航空航天大學3D打印技術實驗室與西北工業大學3D打印技術團隊共同把這種高性能金屬零件激光成形技藝成功運用到我國獨立研發的大型客機C919的主風擋窗框及中央翼根肋，此項技術的成功利用有效減輕了客機的重量。

33D打印的關鍵技術

（1）熔融沉積成形。該方法使用絲狀材料（石蠟、金屬、塑料、低熔點合金絲）為原料，利用電加熱方式將絲狀材料加熱至略高于熔化溫度（約比熔點高1℃），在計算機的控制下，噴頭作x-y平面運動，將熔融的材料涂覆在工作臺上，冷卻后形成工件的一層截面，一層成形后，噴頭上移一層高度，進行下一層涂覆，這樣逐層堆積形成三維工件。該技術污染小，材料可回收，用于中小型工件的成形。成形材料：固體絲狀工程塑料;制件性能相當于工程塑料或蠟模;主要用于塑料件、鑄造用蠟模、樣件或模型。

（2）立體光固化成型技術。此技術主要通過紫外激光對液態光敏樹脂進行全方位的照射，使其發生光聚合反應，這樣2D截面便能通過固化和堆疊成型，在制造工作開始前，設計人員需通過計算機軟件構建的數學模型來計算制造模型的規格，并要將其精確度控制在0.1mm內。需注意的是，若想要在金屬物品3D打印中應用立體光固化成型技術，需同時配合DLP技術，這是因DLP技術能通過掃描獲得掃描物體的表面特征、體積、表面積等基本信息，并通過直接金屬沉積技術熔化金屬物品中的金屬絲，另金屬絲沉積到平面基底上，這樣外部結構的層積部件便可制造出來;隨后再在金屬物品表面涂抹一層液態光敏樹脂材料，這樣便可形成完整的三維結構。該技術具有精度高、制造效率高、成品表面質量好等應用優勢，適合應用在醫療器械和復雜零件制造中。

（3）分層實體制造。該技術是指以紙、金屬箔、塑料等薄片材料為原材料，并在其表面涂上熱熔膠，通過熱壓輥碾壓黏結成一層，用激光束按分層處理后的CAD模型對截面輪廓進行掃描切割，最終實現零件的立體成形。這類技術一般用于制作尺寸需求較大的零件，其局限性在于對原材料的使用量較大等。

（4）打印鑄造用砂芯。砂芯是鑄造生產中用于制造型芯的材料，一般由鑄造砂、型砂黏結劑和輔加物等造型材料按一定的比例混合而成。砂芯在鑄型中大部分被高溫的液態金屬所包圍，而支撐定位部分的尺寸一般較小，因此芯砂除應具有一般型砂的性能外，還要求有較高的強度、透氣性、退讓性和潰散性。傳統砂芯制作是將造型材料倒入芯盒中成型，需在分型面上制出排氣通道，但該方法耗費時間，效率低，針對一些形狀結構復雜的鑄件，增加了砂芯制作的難度。對于尺寸要求嚴格的砂型鑄件，按照人工制芯的方式很難滿足鑄件尺寸公差要求。隨著近些年3D打印技術在各工程領域的應用的快速發展，采用3D打印技術制作砂芯，在滿足砂型鑄造工藝要求的基礎上，更準確地控制了鑄件的尺寸精度，能夠縮短制造周期，提高生產效率。

43D打印關鍵技術的研究和探索

首先，提升3D打印粉末質量及獲得量。通常，對3D打印質量產生影響的因素較多，包括材料流動性、粉末粒度、氣體含量等。比如，3D打印技術對粉末適應性要求較低，幾十到幾百微米范圍都能對其進行應用，細粉末通常適合應用在更精細的結構中，而粗粉末則更適合應用在大尺寸加工結構上，但當粉末粒度小于40微米，粉末的穩定性就將大幅降低，不利于材料成型。若粉末粒度較大，則需借助大功率設備開展工作，過多的熱輸入容易對材料力學性能產生影響。其次，制定3D打印制件無損檢測標準規范。其主要是針對金屬3D打印而言，金屬3D打印的本質為焊接，比如氣孔、夾雜、裂紋等一系列缺陷幾乎無法預防。在此前提下，應盡快構建起一套適用于3D打印零件的無損檢測方法與規范。另外，因3D打印件結構大部分都較為復雜，這給無損檢測造成了更多麻煩，選取傳統形式存在檢測不準及無法檢測的弊端，需深入研究新的檢測方法與裝置。最后，應通過使用一些合理的監控系統來監控印刷過程，從而提升印刷的質量。

參考文獻

[1] 張學軍.3D打印技術研究現狀和關鍵技術[J].材料工程，2016（2）： 122-124.

[2] 王凡.3D打印技術研究現狀及關鍵技術[J].當代化工研究，2017 （8）：137-138.