柳興惠

摘 要：3D打印技術(shù)已經(jīng)步入日趨成熟的狀態(tài)，本文主要介紹3D打印技術(shù)的種類與優(yōu)點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上將3D技術(shù)工藝與傳統(tǒng)技術(shù)工藝做對(duì)比并提出3D技術(shù)工藝的發(fā)展阻力。

關(guān)鍵詞：3D打印工藝;發(fā)展瓶頸;選擇性激光粉末;燒結(jié)

3D打印技術(shù)是一種快速成型的技術(shù)，又被稱為增材制造，該項(xiàng)技術(shù)可以通過計(jì)算機(jī)算法快速形成模型，實(shí)用性極強(qiáng)。應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛，比如教學(xué)，人體骨骼器官的形成，航空零件的制造等。

一、3D打印工藝種類

如今打印工藝主要有這幾類：分層實(shí)體制造、熔融沉積制造、激光固化、選擇性激光粉末燒結(jié)。

（一）分層實(shí)體制造

分層實(shí)體制造又被稱為LOM工藝，它屬于增材制造里的重要部分，他所包含的技術(shù)有計(jì)算機(jī)、機(jī)械、數(shù)控、高分子材料等。由材料傳輸裝置、熱壓黏貼裝置、光學(xué)掃描儀、器、升降臺(tái)、控制系統(tǒng)組成。他的工作原理是LOM技術(shù)采用比較薄的材料進(jìn)行加工。首先在薄層上涂一層熱熔膠。在進(jìn)行處理時(shí)，通過熱壓輥對(duì)片材進(jìn)行碾壓并加熱，讓上面的一層材料與下面成型的材料進(jìn)行貼合，再通過CO2激光器在已經(jīng)成型的層面上切割出上下兩部分對(duì)齊的格子;切割工序完成后，工作臺(tái)帶動(dòng)已經(jīng)冷凝成型的工件向下移動(dòng)，與長條狀片材離開;上料裝置通過調(diào)動(dòng)收料軸，使傳送帶進(jìn)行移動(dòng)，進(jìn)而讓剛剛成型的一面?zhèn)魉偷郊庸^(qū);工作臺(tái)開始工作;熱壓輥進(jìn)入工作狀態(tài)，工件的層數(shù)不斷增加，激光切割機(jī)在行新的一面加工出新的輪廓。不斷重復(fù)這道工序直到零件成型。

（二）熔融沉積成形

此種工藝也被稱作FDM工藝，其工作原理是長條材料通過傳送裝置不停的送到加熱裝置（噴嘴），計(jì)算機(jī)根據(jù)分層面的信息使噴嘴按照預(yù)定的速度和軌跡進(jìn)行移動(dòng)。熔化了的材料從噴嘴中被擠出來與下面一層材料粘合，被擠出的材料在空氣中冷卻成形，每形成一層噴嘴或工作臺(tái)都會(huì)上下移動(dòng)一段距離。FDM工藝是由美國公司stratasys開發(fā)出來，他所使用的是聚合材料，這種材料具有價(jià)格低廉的特點(diǎn)。

（三）激光固化

這種工藝是采用液態(tài)光敏樹脂作為原料，其流程是首先通過SolidWorks設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的外形，再進(jìn)行切片處理，設(shè)計(jì)出掃描路徑，處理后的數(shù)據(jù)會(huì)存到打印系統(tǒng)里，再通過打印系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綊呙杵骱蜕蹬_(tái)，然后機(jī)器按照設(shè)計(jì)人員事先設(shè)計(jì)好的設(shè)計(jì)的軌跡將激光射到加工面上，從而形成一層固化層，再調(diào)整升降臺(tái)高度進(jìn)行第二次固化。直到最后形成完整的零件。

（四）選擇性激光燒結(jié)

選擇性激光燒結(jié)又被稱作SLS，他主要通過激光的高溫照射進(jìn)而對(duì)粉末狀的材料進(jìn)行燒結(jié)，其工作原理是通過3D打印機(jī)對(duì)材料進(jìn)行一層層的鋪平堆積然后進(jìn)行一層層的燒結(jié)。工作流程為鋪粉軸先在機(jī)器內(nèi)部對(duì)材料進(jìn)行鋪平堆積，然后操作者根據(jù)材料的特性將要加熱的溫度數(shù)據(jù)輸入機(jī)器控制系統(tǒng)里，這樣可以更好的讓材料熔化，進(jìn)而得到更好的均勻性的材料，最后得到滿足要求的零件，該項(xiàng)工藝最大的特點(diǎn)是可以對(duì)復(fù)合、單一的都可以進(jìn)行打印，而且得到的產(chǎn)品力學(xué)性能比較好，塑性、韌性也要好一點(diǎn)，而且可以打印的材料選擇也比較廣泛。

選擇性激光燒結(jié)的設(shè)備主要有以下幾個(gè)部分組成：激光單元主要包括：激光發(fā)射器，鋪粉單元主要包括：粉末、粉末缸活塞、鋪粉輥，加熱單元包括電阻加熱器和熱電偶。

二、3D打印工藝的特點(diǎn)

（一）形狀設(shè)計(jì)方面不受限制

在傳統(tǒng)領(lǐng)制造領(lǐng)域里我們的制造技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品形狀非常有限，普通的機(jī)床只能生產(chǎn)圓狀零件，其他的一些復(fù)雜的形狀只能用鑄造來形成，然而鑄造成型的工件也有很大的缺陷，比如模具單一，再比如鑄造所用的材料就是鑄鐵，而鑄鐵的特性是硬度大，塑性、韌性差、強(qiáng)度不高。這些都是制約傳統(tǒng)制造工藝生產(chǎn)滿足要求的形狀復(fù)雜零件。

（二）工人技能培養(yǎng)成本低

在傳統(tǒng)制造工藝?yán)镂覀冃枰度牒艽蟮某杀救ヅ囵B(yǎng)一名合格的技術(shù)工人，比如一名車床工從實(shí)習(xí)到正式上崗再到比較熟練的掌握車床技術(shù)需要兩年的時(shí)間，然而如果3D打印解決目前的一些發(fā)展阻礙，那么我們的3D技術(shù)則會(huì)降低培養(yǎng)工人的成本，而且我們加工的零件精度會(huì)更高，而且3D打印技術(shù)會(huì)向著操作簡(jiǎn)單的方向發(fā)展。

（三）減少廢棄副產(chǎn)品

3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)工藝比較，3D打印工藝會(huì)節(jié)省很多的原材料，傳統(tǒng)制造工藝對(duì)材料加工的浪費(fèi)非常之大，接近89%原材料會(huì)被丟棄，所以這是3D打印工藝特別明顯的優(yōu)點(diǎn)，這種工藝特別適合對(duì)一些價(jià)格高昂的材料進(jìn)行加工，如果打印材料得到改善那么3D打印工藝將有非常大的發(fā)展空間。

三、與傳統(tǒng)工藝相比較3D打印的缺陷與發(fā)展瓶頸

目前3D打印的產(chǎn)品大部分強(qiáng)度不足，在傳統(tǒng)工藝?yán)镆粋€(gè)零件的生產(chǎn)需要經(jīng)過下料、鍛造，預(yù)備熱處理，機(jī)加工、如果是低碳鋼則需要進(jìn)行滲碳再進(jìn)行淬火最后進(jìn)行低溫回火。中碳鋼加工過程是下料鍛造，預(yù)備熱處理（正火），機(jī)加工，由于中碳鋼的綜合力學(xué)性能比較好，所以直接淬火加中溫回火。僅以這兩個(gè)例子我們看出一個(gè)材料在傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)中要想得到可靠的性能需要進(jìn)行鍛造和不同熱處理。

在3D打印技術(shù)對(duì)不銹鋼進(jìn)行打印時(shí)通常采用的是選擇性激光粉末燒結(jié)，但是燒結(jié)的產(chǎn)品中會(huì)出現(xiàn)熱傳導(dǎo)不均勻產(chǎn)生較大應(yīng)力材料中的空氣沒能及時(shí)排出而導(dǎo)致貫穿性裂紋，再比如給料不均勻會(huì)導(dǎo)致同一工件不同處致密度產(chǎn)生很大差異。再者激光選擇粉末性燒結(jié)技術(shù)原料來源是建立在粉末狀的金屬顆粒，然而在冶煉后的金屬都是大塊的固體金屬，如果想利用3D打印技術(shù)加工一個(gè)零件則需要將金屬粉碎并且顆粒的直徑還需要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，這樣就大大損耗了更多的能源。

3D打印目前能夠解決的是成品的成分均勻性和致密度，直接得到想要的微觀結(jié)構(gòu)的技術(shù)目前還停留在實(shí)驗(yàn)室。想要在工業(yè)方面得到充分發(fā)展還需要很長的一段路要走。

參考文獻(xiàn)：

[1]房鑫卿.3D打印技術(shù)的發(fā)展歷程及應(yīng)用前景[J].輕工科技，2019，35（05）：77-78.