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  摘要:3D技术可追溯到1976年研制出的喷墨打印机,该技术的原理是快速原型制造,将该技术与金属生产结合,将成为改造工业制造的主要技术。文章主要围绕激光金属3D打印技术展开分析,讨论该技术的使用原理、现状,阐述未来的发展趋势,结合激光金属3D打印技术在实际生产中的运用展开分析。

  关键词:金属;3D打印;技术

  3D打印在传统的认知中只是快速成型,新时期是指增材制造,在生产中以计算机内的数字模型文件作为基础,运用粉末状的金属、塑料等作为材料,通过逐层打印来实现构造的技术。从发展至今,历史上出现过几种3D打印工艺,工艺上存在一定的区别。在工业、学术领域内,普遍认为3D打印技术是现代制造业发展的重点,进行3D打印的时候,材料是重要的物质基础,不同的打印材料、产品场景决定了材料的选择,但是选择材料之后,也就决定打印工艺受到限制。

  1对3D打印技术的认识

  3D打印是根据零件形状制作出有一定厚度、特定形状的截面,将截面逐层粘结就得到立体的零件。为方便理解,也可以解读为医学上的CT影像,整个制造与生产的过程类似积分。3D打印是电脑控制并且实现生产的,现今市场上存在不同的研发厂家,因此工作原理存在区别,但是技术原理无差别,如,当人们想要制作一个塑料材质的苹果,首先需要在软件上制作出3D模型,将模型进行转变,成为打印机支持的格式,同时放进去材料,启动设备即可完成塑料苹果的生产。理论上的3D打印技术就是这样完成的,在这个过程中,系统打印塑料苹果的时候,开始从模型底部切片,切片就是截面,最开始的切片是苹果的底面,系统控制激光设备进行界面图的烧结,做好之后,进行第二层的截面烧结,这样塑料苹果一层一层长出来。目前市场有很多这种3D打印技术,常见的UV、SLA等。从专业领域来看,3D打印技术具备十分显著优势,在市场生产、工业制造等方面,其优势体现在。

  1.1精确值高

  复杂的零部件和构造精密的金属零部件,这些零部件传统生产工艺制造都比较麻烦,在工业生产上都比较困难。3D打印技术可以进行制造,精确值能够达到亚毫米级别,可想而知,该技术能使用在各种先进的航空、部队机械设备等的生产中。

  1.2生产效率高

  整个3D打印技术生产中,只需要设计图纸和打印设备、原材料等,这些装备可以在很大程度上缩短制造的时间,减少生产制造的加工工艺,提高生产的效率。

  1.3生产价格低廉

  生产传统的金属需要花费的成本与时间都十分可观,但3D打印技术并不需要消耗很多成本,并且时间也大概率缩短。目前该技术使用在航空领域比较显著,可生产复杂、轻量化的各种航空部件,比如发动机的叶片和燃烧室等,满足航空航天的要求。在医疗方面,利用3D打印技术制造出与人体结构相同的骨骼,制造出与患者情况相对应的植入物,从而提高整体的手术成功率;汽车生产的零部件也可以通过3D打印来实现,部分汽车部件比较复杂,如轮毂的生产等,3D打印生产可以保证质量、精度,满足汽车生产的需要。

  2打印技术中的激光金属3D打印

  2.1金属粉末床熔化工艺


  金属粉末床熔化(Metal Powder Bed Fusion)中常用的工艺有DMLS、SLM、EBM,这些工艺均是激光金属打印工艺。金属粉末床熔化(Metal Powder Bed Fusion)简称PBF,该工艺生产出来的进步零部件质量高、精度高,内部不存在残余应力,也减少了人工生产中存在的内部缺陷,因此生产出来的部件通常使用在航空和汽车领域内。
 

 
  2.1.1直接金属激光烧结

  直接金属激光烧结成型技术(Direct Metal Laser-Sintering,DMLS),该技术使用高能量的激光熔融金属粉末,并且将粉末自动层层堆叠,逐步生成目标零件。金属材质是致密性材质,不会产生空隙,在生产的时候金属部件的紧密程度可达到99%,接近锻造材料的质量。在生产过程中,调整参数或者是调整材料能够生成不同的构造差异大的零部件。该工艺能够进行复杂零部件的生产,如多孔透气的钢材、耐腐蚀性能优良的不锈钢材、精密度极高的模具钢材,3D打印工艺减少切削和复杂的车床加工,让设计有更充足的空间。部分受力要求高以及传统手工艺加工复杂的零部件,使用DMLS进行加工,加工精度都可以达到90%~95%,具有诸多优势,被广泛运用在航空、航天等领域内。该技术能够直接生产金属零部件,激光熔融覆层与基体的结合强度能够高达95%,生产过程中产生变形的概率非常小,很容易实现自动化控制,尤其是部分局部损伤的贵重零部件可用这种工艺来修补和处理,真正实现高成本高品质。因此该技术的缺陷在于成本昂贵。

  2.1.2选择性激光熔化

  选择性激光熔化技术(Selective laser melting,SLM)主要运用在金属的增材制造中。选用激光作为能量源,按照CAD切片模型规划好路径后,对金属粉末进行逐层扫描,随着金属粉末的熔化与凝固,即可设计出零部件。这种工艺是将金属粉末完全熔化后,打印出来的物体十分紧密、坚固。目前这一项工艺多使用在部分金属的加工中。需要注意,在打印生产的时候,由于高温梯度的存在,导致产品出现应力、错位情况,进而损害整体的物理性能。

  2.1.3电子束熔化

  电子束熔化技术也叫做EBM技术,打印之前设计好三维模型,根据工作舱内的高能电子束产生高密度能量,熔融金属粉末,然后进行冷却,凝固成特定的形状之后的快速打印成型技术,该技术研制时间比较短,目前被运用在生物医学以及汽车交通等领域内。该技术的原理与SLM技术比较相近,区别在于EBM技术使用电子束,使用导电金属材料,以激光作为零部件生产成型的来源,并且使用热塑性聚合物作为生产的材料,相比较起来,EBM的生产效率更高。但是在现实生活中,两者可使用在不同的场合和领域内。该技术优势是成型速度快,产品强度高,但是需要在真空的环境下生产,很容易受到复杂磁场环境的干扰。

  整体上来看,金属粉末床熔化技术几乎能够制造所有的复杂的零部件,即便是祖清的钛金属或者是最坚固的镍高温合金都可以实现生产,生产之后的产品能够正常运用,缺陷是操作的成本高,而且必须通过支撑结构与零部件相连接,后续就需要处理废料。并且金属粉末的处理存在一定的危险性。

  2.2金属粘合剂喷射技术

  金属粘合剂喷射(Metal Binder Jetting)的常用工艺有多喷射熔合和纳米粒子喷射。MJF技术是用粉末热塑性塑料快速生产的技术,该技术可持续、快速完成高拉伸和高强度的零部件,可用在各种生产一致性的同性机械性能零部件生产中。MJF是怎样生产的呢,首先,利用喷墨阵列将熔合剂、细化剂沉积在粉末材料床中,接收液区域内的将被固化,其余粉末则还处于松散状态,同时将打印机重复打印即可完成。生产过程中使用的材料都是刚性塑料或者是柔性塑料,该技术能够有选择性的熔合材料,且实现高速生产,打印时间很短,具备较高的分辨率、细节,除此之外,还具备诸多优势,如材料功能性显著,体积可拓展、成本效益显著等,这些都是该技术成为目前行业内热门选择的关键。技术优势是能够大体积打印,不需要连接到构建板上面,整体的限制少,甚至不需要支撑。缺陷是部件在打印后需要经过耗时的脱脂和烧结,整体的成本高,尤其是机械性能一般,因此技术上能够选择的材料也很少。
 

 
  2.3直接能量沉积技术

  直接能量沉积(Direct Energy Deposition(DED))工艺主要是通过沉积粉末的熔化来进行生产、制造,广泛使用在金属粉末和金属丝的生产中,生产出来的零部件具备优良的成型率,产品的致密性也很高。在生产中通过聚集高热能源,如激光和电子束等,将已经成为金属粉末的材料进行熔化后打印的技术。该技术熔炼工艺一般是粉末和送丝激光、送丝电子束以及等离子弧焊工艺。在生产中,金属粉末和金属丝都受到高能量的撞击,在熔化后实现生产,因此原理类似焊接工艺。在生产过程中,金属3D的打印形式成本最实惠的是金属丝,部分机器甚至可以实现不同的制造,生产过程构筑效率高、整体性能好。缺陷是该材料生产制作出来之后,零部件的表面质量比较差,需要进行精细化的加工,小细节部分实现比较困难,整体的操作成本比较高。

  2.4金属材料挤压技术

  该技术常用工艺是熔融沉积建模和熔丝制造两种,在生产中,一般进行廉价金属3D打印,因此该技术通常在中小型的企业中使用,生产也是小批量进行,通常是在设计工作室、机械车间等领域。该工艺的发展速度比较一般,最新工艺是将金属丝作为工艺材料进行生产,挤压生产的原理是将聚合物细丝按照设计形状进行逐层打印,之后清洗,将零部件上多余的粘合剂去除,并且将零部件放进烧结炉之内,将金属颗粒熔化成为固体的金属材料。整个操作过程实惠且简单,缺陷是零部件需要经历脱脂和烧结的整个过程,而且要避免出现翘曲的情况,打印出来的产品存在孔隙,不能满足机械性能。

  3激光金属3D打印技术的应用

  3.1 3D打印技术在航天领域的使用


  2022年,铂力特2022年上市,上市后获得9.18亿元的收入。该公司在经营方面,深耕航空航天技术,重视对航空设备的研发制作,同时在生产方面不断开拓市场。在生产中,航空航天零部件的生产制作有周期和难度大的缺陷,铂力特公司为用户提供了高质量的制造服务,让金属3D打印技术获得了更高的使用价值,从零件、部件到整个机组的生产制作都实现了3D打印。

  3.1.1“TXI”系列火箭零部件生产

  2022年,凌空天行“TXI”系列的火箭完成了第九次的发射,火箭被精准投送的同时寓意着任务的圆满成功。该火箭的生产制作中,该公司的零部件生产出了很大的力,主要是利用3D打印技术打印火箭电控舱圆柱体段壳体,借助3D打印技术的优势,确保壳体的坚固和高精度;打印电气舱锥段壳体,整个结构顺利完成;尾段壳体部分也确保了部件的精度和强度。整个零件是回转体,上面分布多个凸台和窗口,3D打印技术都圆满完成。火箭整体结构较大,3D打印体积也比较大,同时质量要求很高,更主要是考虑航天零部件的服役要求,整体的结构复杂,因此在打印的时候客户要求进行一体打印,除了装配位置之外不进行机加工。该公司在进行深入考虑之后,用BLT-S800来制作零部件。该零部件诞生于2021年,是这一年的明星设备,为满足火箭的尺寸要求,壳体的外观尺寸为800mm×800mm×600mm(W×D×H),这个生产让零部件一体成型,提高了对壳体的生产速度。使用在火箭的结构上,验收成功,经验证明,该零部件的整体变形控制力度很好,尺寸、力学性能都可以满足要求。将该尺寸使用在航空领域内,可获得较好的成绩。

  3.1.2西工大航天学院的火箭发射成功

  2022年,西工大航天学院的空天组合团队研制“飞天一号”火箭,该火箭的部件生产是通过3D打印技术完成的,并且火箭顺利发射成功。这是国内首次的煤油燃料火箭冲压组合发动机火箭,火箭突破了多项技术领域,在火箭的关键零部件生产中,铂力特均参与制造、生产。火箭的结构比较复杂,所涉及的零部件尺寸很大,所以在打印的时候,使用了BLT-S515、BLT-S600来打印,提高了整体生产速度,缩短了整个交付时间。

  该公司运用3D打印技术实现对零部件生产的突破,满足大型尺寸的生产要求,符合市场所需。生产制造方面,能够解决各种高端领域内大尺寸异形空间曲面结构的复杂生产,即便是多特征跨尺度结构也可以打印成型。除了上述两个案例之外,蓝箭航天了解到该公司的打印技术后,与该公司联系进行合作,帮助蓝箭航天打印了一系列的零部件,其中包括发动机的接头、点火器的支座等等。这些零部件都是异形结构,如果是与传统的制造公司合作,生产周期很长,设计与制造都十分艰难,质量也很难保证。3D打印技术的使用,为用户节省了大量的成本,满足航空领域内对零部件高质量的要求。

  3.2 3D打印技术在珠宝首饰中的应用

  目前市场上有很多的3D硬金类首饰,通过3D打印技术生产出来的首饰,产品优良。某厂就利用3D打印技术生产珠宝饰品,生产出来的装饰品色泽明亮、硬度高、耐磨损,轻巧方便,因此在市场上有很多年轻人为此买单。设计师Aleksandar、美国品牌Lace等都利用3D技术来进行设计与生产,并且在市场上知名度很高。将3D技术与珠宝生产结合,打破传统的局限,降低了产品制造的门槛。进行传统饰品的制作流程是,设计师构想,根据构想将设计画出来,交给有经验的师傅,让师傅做出产品银版,银版压胶模,之后还有蜡版等不同的流程,最后完成浇筑,再进入工厂中进行精细化的处理,经历过如此复杂的步骤之后才设计出一个产品。3D打印首饰的整个过程大部分都是在电脑、机器上面操作,设计师利用电脑来把自己的设计构想绘制出来,这不仅可以全方面展示产品,更主要是能够测量出各种宝石的重量,方便计算成本。程序员将设计图纸的数据进行转化,变成机器加工需要的数据,再利用3D机器和产品的材料进行打印,规整而高质量的产品就已经生产出来了,基本上不需要再进行抛光和执模,整个加工环节都被精简,提高了作业效率。传统生产中需要经过特殊工艺进行处理的花纹和镂空工艺,3D技术都可以完成,因此将3D技术使用在首饰的生产中,可以做出更个性、更符合市场的产品。

  4结语

  综上所述,3D打印技术是比较先进的技术,由于在制造方面具备独特优势,因而引发制造业革命是必然。但目前3D技术的运用十分局限,未来有可能引发行业变革,就目前在航天、医疗、饰品等领域的使用,更多是对传统生产工艺的补充。随着技术的发展与完善,3D技术或许能够成为引发行业变革的一项技术。
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