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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。后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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激光金属3D打印技术探究论文
人参与 2025-01-09 09:43:21 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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