3D打印技術研究現狀和關鍵技術研究

馬忠波

（甘肅有色冶金職業技術學院，甘肅 金昌 737100）

近年來，3D打印技術水平持續上升，3D打印技術已成為全世界重點關注的技術之一，各國對3D打印技術的研究不斷深入，提高了技術的成熟性、打印效率和準確度。3D打印技術的工作原理為離散/堆積原理，通過不斷累積材料的方式來完成制造，使用計算機將零件3D模型進行切割，將其切割成為薄片，按照自下而上的原則疊加薄片，最終堆積成為實體零件。3D打印技術不需要使用刀具或者模具，所需要的成本較少，符合現代社會的發展理念，可以在短時間內完成批量打印，滿足人們的打印需求。3D打印技術的應用可以制造出結構較為復雜的零件，實現傳統工藝形式無法達到的打印效果，簡化了生產流程，加快了制造速度，是未來所重點發展的技術類型。

1 3D打印技術闡述

1.1 3D打印技術原理

普通打印機能夠根據電腦的設計完成物品打印，所打印出的物品均為平面的狀態。3D打印技術的工作原理和日常生活中所使用的多數打印機相同，區別在于所使用的打印材料有所差異，普通打印機使用墨水、紙完成打印，3D打印技術是使用金屬材料、陶瓷材料、塑料材料等進行打印。將3D打印機和計算機進行連接，利用電腦對材料進行控制，將不同材料堆疊之后可以將計算機設計轉化為實體物品。3D打印技術的使用為我國制造行業的發展帶來了新的動力，可以完成復雜零件的制造和打印，簡化零件制作流程，提高零件生產制作效率。

1.2 3D打印技術打印過程

1.2.1 三維設計

在進行三維設計的時候需要先利用計算機的相關軟件完成建模，對構建完畢的三維模型進行切片處理，從而為打印機的打印作業提供指導。設計軟件以及3D打印機在共同協作時所使用的標準文件格式為STL，是一種利用三角面對物體表面進行模擬的文件格式，其中三角面的大小和表面分辨率之間的關系為反比關系。

1.2.2 切片處理

打印機對文件中的橫截面信息進行讀取，使用液體狀材料、片狀材料和粉狀材料將截面進行打印，之后利用相應的方式和手段將截面進行粘合，構造出物品實體。基于這一工作原理可以制造出任何形狀的產品。傳統的制造方法多為注塑法，所需要的成本較少，能夠獲得較多的聚合物產品，而3D打印技術的出現可以在更短的時間內以更低的成本完成產品制造。傳統制造技術下需要花費數個小時或者數天的時間完成模型制造，而3D打印技術則能夠在短短幾個小時內完成打印[1]。

1.2.3 完成打印

3D打印機的分辨率可以滿足多種情況下的應用需求，但是如果表面較為彎曲則分辨率較低，存在粗糙的現象。要想提高分辨率可以使用3D打印技術打印體積較大的物品，對物品表面實施打磨處理之后則可以提高表面的光滑度和分辨率。不同類型的3D打印技術所具備的特點不同，部分技術可以在同一時間使用多種不同材料完成打印，部分技術在打印作業時使用支撐物，為了能夠減輕后期的作業難度，需要選擇可溶性材料作為支撐物。

1.3 3D打印技術類型

1.3.1 熔融沉積成形技術

熔融沉積成形技術所使用的原料多數為PLA材料或者ABS材料，是一種具有熱塑性的絲狀材料。在使用該技術時會利用加工頭的加熱積壓作用完成制造，在計算機系統的控制下將熱塑性材料進行堆積，最后可以獲得成形的立體化零件。熔融沉積成形技術應用最為普遍，具有較高的成熟度，成本較低，并且還可以完成彩色打印。

1.3.2 分層實體制造技術

分層實體制造技術的制作原料為薄片狀的材料，例如金屬箔或者塑料薄膜等都是較為常用的原材料。在使用該技術時會在薄片材料的上方涂抹熱熔膠，按照不同截面的具體形狀完成切割處理、粘貼處理，從而形成立體化的零件。分層實體制造技術的打印速度較快，能夠制作個別尺寸較大的零件，但是在生產過程中容易出現材料浪費的問題，并且物品表面的質量和其他技術制造出來的產品相比較差[2]。

1.3.3 光固化立體成形技術

光固化立體成形技術是可以對液態原料實施固化處理，并將固化材料進行堆積之后成形的技術。固化處理過程中所使用的技術為紫外線激光，對環氧樹脂這一類液態的光敏聚合物材料進行掃描，充分利用材料所具備的特點。光固化立體成形技術可以生產出結構復雜的部件，生產精度高，可以提升材料利用效率，但是并不適用于常見的材料，在進行制造的過程中所需要投入的成本過高。

1.3.4 激光選區熔化技術

激光和電子束選區熔化技術的工作原理較為相似，兩種技術都是以粉末床為基礎的鋪粉成形技術，兩種技術的熱源有所不同。激光選區熔化技術的熱源為激光束，該種技術難以制造出尺寸過大的零件，但是可以滿足復雜零件的制作需求，生產出的零件質量高、表面光滑。

1.3.5 金屬激光熔融沉積技術

金屬激光熔融沉積技術也是一種將激光束作為熱源的3D打印技術，使用自動送粉的方式完成金屬粉末同步處理，可以將金屬粉末更加精準地送入到熔池之中。激光斑點在移動的過程中會讓金屬粉末持續進入熔池，在進入熔池之后金屬粉末會經歷熔化到凝固的過程，最后可以形成所需要的零件形狀。金屬激光熔融沉積技術的優勢在于可以制造出尺寸較大的零件，但是只能適用于內部結構簡單的零件生產作業中，無法生產出結構復雜的零件。

1.3.6 電子束選區熔化技術

電子束選區熔化技術的熱源為電子束，成形材料多數為金屬粉末，在使用該技術時需要處于真空環境[3]。該技術使用時會使用電子束對金屬粉末實施掃描熔化處理，讓不同的小熔池進行熔合，在其凝固之后可以形成零件實體。電子束選區熔化技術所生產出的零件性能水平較高，但是零件的尺寸會受到一定因素的限制，例如粉末床因素或者真空室因素。

1.3.7 電子束熔絲沉積成形技術

電子束熔絲沉積成形技術同時也被稱為自由成形制造技術，所處的作業環境、熱源均和電子束選區熔化技術相同，但是所使用的成形材料為金屬絲材。利用送絲裝置可以把金屬絲不斷地送進熔池內部，使得金屬絲可以按照原有的軌跡持續運動，一直到形成目標零件或者目標毛坯為止。以電子束為熱源的熔絲沉積成形技術工作效率極高，零件質量較好，內部構造精確度高，但是成形質量較差，表面質量也較為粗糙，并且無法對塑性差的原材料進行處理和加工[4]。

2 3D打印技術研究現狀

當前3D打印技術發展速度不斷加快，所能使用的材料類型不斷增加，能夠制造出越來越復雜的零件類型，零件質量和精度有所上升。國內和國外對于3D打印技術的研究重視度都不斷提高，因此，研究逐漸深入，具體研究現狀如下。

2.1 國外3D打印技術研究現狀

1990年，美國開始重視發展激光熔融沉積成形技術，相關高校和企業重點針對鈦合金3D打印技術實施研究，開發了鈦合金柔性制造技術。通過該技術打印了多種不同類型的飛機零件，如接頭部件、推力拉梁部件等。同時期德國開始使用激光選區熔化技術，于21世紀初期研發成功，依據此技術開發出SLM設備，多家高校在大型航空企業的資金支持下對SLM材料的特點、缺陷等進行了研究。2012年，SLM技術應用范圍有所增加，國外電氣航空集團收購了3D打印企業，使用激光選區熔化技術打印出了燃油噴嘴，為噴氣式發動機的生產制造提供了重要的零部件支持。SLM技術也開始被應用于醫療行業，國外開始使用該技術制作出可摘除式局部義齒，或者以不銹鋼為原材料的固定橋。1990年，瑞典高校和企業共同合作開發了電子束選區熔化成形技術，企業隨后在市場上推出了電子束選區熔化成形設備和產品，為廣大工廠以及研究機構提供了重要的支持。電子束選區熔化成形技術在航空航天領域、醫療領域均有著廣泛應用，例如，醫療行業開始使用該種技術進行顱骨打印、股骨柄打印和髖臼杯打印，可以在短時間內獲取骨科所需要的植入物，為骨科研究、醫療活動的開展提供了豐富的資源。在航空航天領域中，該技術的應用也較為廣泛，并且各個企業開始利用電子束選區熔化成形技術制造發動機內的復雜零件，其中，意大利企業制備出了TiA1基合金發動葉片，為航空零件制造行業的發展提供了重要助力。

3D打印技術具備多種優勢，未來市場發展前景較為廣闊，各個國家都開始加大在3D打印技術研究方面的成本投入。美國、英國都先后根據3D打印技術發展情況設定了相應的研究中心，產業結構也逐漸得到完善，為經濟發展提供了新的助力。2014年，日本推動了以3D打印技術為內核的制造革命進程，對3D打印設備、系統、零件等多個方面進行研究，加快了3D打印技術發展速度[5]。

2.2 國內3D打印技術研究現狀

我國3D打印技術的研究時間和世界其他國家相同，并且近年來陸續成立了各種負責該技術研究的單位和機構，取得了較好的研究成果，在國際上處于較為領先的位置。最初，國內多個高校針對激光快速成形技術展開了研究，并形成了以該技術為核心的成形系統，選擇了多種不同類型的金屬材料進行了大量的實驗。例如，西北工業大學團隊使用該技術打印出了飛機鈦合金左上緣條，零件的最大尺寸為3 m，重量達到了196 kg。華中科技大學針對激光選區熔化技術和激光選區燒結技術進行了研究，針對高分子和金屬材料展開了3D打印研究，開發了SLM設備，能夠對金屬粉末進行加工，并且還研發出了快速3D測量技術和測量裝置。西安交通大學使用3D打印技術完成了骨科領域中的修復作業，使得3D打印技術在生物醫學領域中有了更加深入的應用。清華大學也研究出了使用ABS、蠟等材料完成制造的FDM工藝，在3D打印材料的研發工作中有著較好的應用效果。目前，國內的3D打印技術研究單位多數為高校，并以高校為核心構建了研究中心，對于3D打印技術的研究深度有所增加，為3D打印技術在我國國內的應用提供了重要支撐。

隨著國內3D打印技術研究水平的不斷提高，借助有關于3D打印技術的研究成果加之政府的大力扶持，國內成立了大量的3D打印設備企業和相關服務企業，加快了3D打印技術產業化速度，開拓了小型市場。國內企業創新能力不斷提升，自主研發出了有關于3D打印技術的核心科學技術，2015年，我國相關市場規模已經達到50億美元左右，和2014年相比市場效益增加約一倍。近年來，3D打印技術市場的發展速度不斷加快，市場規模也不斷擴大。3D打印技術的應用范圍也有所增加，在多個領域中均有著較為廣泛的應用，但是3D打印技術仍然存在一定的局限性，成形后的零件會出現變形或者節點開裂的問題，并且零件的邊角部位容易出現翹曲的問題。為此，國內針對激光成形技術進行了研究，攻克了相關的難題，為航空航天領域、醫療領域的發展提供了重要支撐，制作出了各種高質量的零部件。

3 3D打印技術關鍵技術研究

3.1 加強3D打印粉末質量以及獲得率

3D打印質量會受到多種因素的影響，包括球形度因素、流動性水平、粉末粒度大小等。例如，在3D打印技術應用過程中可以使用數十微米到幾百微米的粉末，其中，粒度小的粉末可以被應用在精細零件的生產制造過程中，粒度大粉末則可以應用在尺寸大、加工余量大的零件制造過程中。如果粉末粒度在40微米之下，送粉作業會出現不穩定的問題，難以使零件成形；如果粉末粒度較大，則設備使用功率需要增加，而如果熱輸入過量，則會對材料的力學性能水平造成影響。

3.2 構建3D打印零件無損檢測標準

為了能夠提高3D打印零件的質量，需要對成型的零件進行無損檢測，及時發現零件上是否存在氣孔或者裂紋[6]。無損檢測不會給零件造成損傷，因此，相關人員應當研發出系統性的無損檢測標準，能夠在零件檢測過程中合理使用無損手段完成零件檢測，保證能夠對零件的質量進行評估，為后續3D打印技術的研究提供重要的數據基礎。在制定標準時需要明確無損檢測方法、檢測設備、檢測工藝，根據不同3D打印技術的特點構建完善的缺陷控制體系。

3.3 提高3D打印設備的能力

3D打印設備能力會影響到3D打印技術的應用效果，需要不斷強化該設備的能力。以激光熔融沉積成形技術為例，需要對送粉器進行改進，提升送粉穩定性水平及送粉精確度水平，避免由于不穩定的問題而給零件打印質量造成不良的影響。

4 結束語

3D打印技術在當前制造行業內屬于一種重要的制造技術，為材料制造和結構構建提供了新的手段，可以為傳統制造提供有效補充，改變傳統制造工作存在的局限性。3D打印技術適合于不同類型復雜結構的零件制作需求，生產流程較短，可以充分發揮設計人員的想象力，讓無法實現的構造理念轉變為現實。3D打印技術包括熔融沉積成形技術、分層實體制造技術、光固化立體成形技術、激光選區熔化技術、金屬激光熔融沉積技術、電子束選區熔化技術、電子束熔絲沉積成形技術。3D打印技術具有一定的局限性，例如，以熔化金屬為基礎的打印技術適用于具有較好塑性的金屬材料，所以需要針對3D打印技術進行更加深入的研究。3D打印技術需要技術積累的過程，應當在長期研究過程中不斷解決該技術所存在的問題，提升3D打印技術的應用廣度和應用深度。