金屬零件的3D打印技術的研究現狀及其發(fā)展趨勢

   金屬零件的3D打印技術的研究現狀及其發(fā)展趨勢
    進入信息時代以來，以網絡技術和數字技術為代表的新技術的出現正在深刻地改變著人類社會的方方面面。而3D 打印技術作為戰(zhàn)略性新興產業(yè)，正在快速改變傳統(tǒng)的生產方式和生活方式。美國、德國等發(fā)達國家高度重視并積極推廣該技術。不少專家認為，以數字化、網絡化、個性化、定制化為特點的3D打印技術為代表的新制造技術將推動第三次工業(yè)革命。
1. 前言
   3D打印技術其實是比較通俗的說法，其實質為激光快速成型技術。激光快速成型是一種離散/堆積的加工技術，根據材料與加工設備的不同，技術上主要有以下幾大類：SLA（光固化/立體光刻）、 FDM（熔融沉積成型） SLS（選擇性激光燒結）、LOM（分層實體制造）、3DP（三維印刷）、PCM： 無木模鑄造等。其基本過程是首先將計算機生成的零件三維實體沿某一坐標軸進行分層處理（離散），得到每層截面的一系列二維截面數據，按特定的成形方法（LOM、SLS、FDM、SLA等）每次只加工一個截面，然后自動疊加（堆積）一層成形材料，這一過程反復進行直到所有的截面加工完畢生成三維實體原型。（1）C AD軟件設計出所需零件的計算機三維曲面或實體模型；（2）將三維模型沿一定方向（通常為Z向）離散成一系列有序的二維層片（習慣稱為分層）；（3）根據每層輪廓信息，進行工藝規(guī)劃，選擇加工參數，自動生成數控代碼；（4）成形機制造一系列層片并自動將它們堆積起來，得到三維物理實體。   
    金屬零件3D打印技術作為整個3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術，是先進制造技術的重要發(fā)展方向。隨著科技發(fā)展及推廣應用的需求，利用快速成型直接制造金屬功能零件成為了快速成型主要的發(fā)展方向。目前可用于直接制造金屬功能零件的快速成型方法主要有：選擇性激光燒結（SLS）、選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）、電子束選區(qū)熔化（Electron Beam Selective Melting， EBSM）、激光近凈成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS） 等。
國內研究現狀
   國外對金屬零件3D打印技術的理論與工藝研究相對較早，且在近幾年已有多家公司推出商品化的設備。而國內的研究主要集中在基礎的工藝，華南理工大學的研究重點是SLM技術，清華大學以EBSM技術為主，南京航空航天大學和華中科技大學主要研究選區(qū)激光燒結技術。西北工業(yè)大學深入研究了LENS工藝。中北大學則在選擇性激光燒結的基礎上研制了變長線掃描SLS  RPT，是世界上首次采用的新穎快速成型方法，并且自主研發(fā)生產了HLP-350I激光燒結快速成型機。
3D打印技術的應用領域
   近年來，金屬零件的3D打印技術發(fā)展迅速，在各領域都取得了長足發(fā)展，已成為現代金屬零部件制造的有效手段，在航空航天、汽車摩托車、家電等領域得到了一定應用。
   工業(yè)制造：可應用于產品概念設計、原型制作、產品評審、功能驗證；制作模具原型或直接打印模具，直接打印產品：3D打印技術制造的小型無人飛機、小型汽車等概念產品已問世，家用器具模型也被用于企業(yè)的宣傳、營銷活動中；文化創(chuàng)意和數碼娛樂：可作為形狀和結構復雜、材料特殊的藝術表達載體。科幻類電影《阿凡達》運用3D打印技術塑造了部分角色和道具，3D打印技術制造的小提琴接近了手工藝的水平；航空航天、國防軍工：可對形狀復雜、尺寸微細、性能特殊的零部件、機構進行直接制造；生物醫(yī)療：可應用于人造骨骼、牙齒、助聽器、假肢等的制作；消費品：可應用于珠寶、服飾、鞋類、玩具、創(chuàng)意DIY作品的設計和制造；建筑工程：可應用于建筑模型風動實驗和效果展示，建筑工程和施工(AEC)模擬；教育：可應用于模型驗證科學假設，用于不同學科實驗、教學。在北美的一些中學、普通高校和軍事院校，3D打印機已經被用于教學和科研；個性化定制：可提供基于網絡的數據下載、電子商務的個性化打印定制服務。
4.3D打印技術需要依托的尖端技術
   3D打印技術需要依托多個學科領域的尖端技術，主要包括以下方面：
  （1）信息技術：要有先進的設計軟件及數字化工具，輔助設計人員制作出產品的三維數字模型，并且根據模型自動分析出打印的工序，自動控制打印器材的走向。
  （2）精密機械：3D打印以“每層的疊加”為加工方式。要生產高精度的產品，必須對打印設備的精準程度、穩(wěn)定性有較高的要求。
  （3）材料科學：用于3D打印的原材料較為特殊，必須能夠液化、粉末化、絲化，在打印完成后又能重新結合起來，并具有合格的物理、化學性質。
   客觀的說，目前3D打印技術尚不成熟。作為一項多學科交叉的高新技術，還需要在各相關領域投入較大的研發(fā)力量，才能掌握完整的核心技術。
5.3D技術的工藝
    根據材料與加工設備的不同，3D打印技術上主要有以下幾大類：SLS工藝：選擇性激光燒結、SLA工藝 ：光固化/立體光刻、FDM工藝：熔融沉積成形、LOM工藝：分層實體制造、3DP工藝：三維印刷、PCM工藝：無木模鑄造等。
  （1）選擇性激光燒結（簡稱SLS）不同材料的粉末為原料
　 SLS工藝又稱為選擇性激光燒結，是利用粉末狀材料成形的。將材料粉末鋪灑在已成形零件的上表面，并刮平；用高強度的CO2激光器在剛鋪的新層上掃描出零件截面；材料粉末在高強度的激光照射下被燒結在一起，得到零件的截面，并與下面已成形的部分粘接；當一層截面燒結完后，鋪上新的一層材料粉末，選擇地燒結下層截面。
　　SLS工藝最大的優(yōu)點在于選材較為廣泛，如尼龍、蠟、ABS、樹脂裹覆砂（覆膜砂）、聚碳酸脂（poly carbonates）、金屬和陶瓷粉末等都可以作為燒結對象。粉床上未被燒結部分成為燒結部分的支撐結構，因而無需考慮支撐系統(tǒng)（硬件和軟件）。SLS工藝與鑄造工藝的關系極為密切，如燒結的陶瓷型可作為鑄造之型殼、型芯，蠟型可做蠟模，熱塑性材料燒結的模型可做消失模。
　（2）光固化成型（簡稱：SLA或AURO）光敏樹脂為原料
　　光固化成形是最早出現的快速成形工藝。其原理是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長(x=325nm)和強度(w=30mw)的紫外光的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應, 分子量急劇增大, 材料也就從液態(tài)轉變成固態(tài)。光固化成型是目前研究得最多的方法，也是技術上最為成熟的方法。一般層厚在0.1到0.15mm，成形的零件精度較高。
　　光固化工藝的優(yōu)點是精度較高、表面效果好，零件制作完成打磨后，將層層的堆積痕跡去除。光固化工藝運行費用最高，零件強度低無彈性，無法進行裝配。光固化工藝設備的原材料很貴，種類不多。光固化設備的零件制作完成后，還需要在紫外光的固化箱中二次固化，用以保證零件的強度。
　　(3)熔融擠出成型（簡稱FDM）蠟、ABS、PC、尼龍等為原料
　　熔融擠出成型(FDM)工藝的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ABS、PC、尼龍等，以絲狀供料。材料在噴頭內被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結。每一個層片都是在上一層上堆積而成，上一層對當前層起到定位和支撐的作用。隨著高度的增加，層片輪廓的面積和形狀都會發(fā)生變化，當形狀發(fā)生較大的變化時，上層輪廓就不能給當前層提供充分的定位和支撐作用，這就需要設計一些輔助結構－“支撐”，對后續(xù)層提供定位和支撐，以保證成形過程的順利實現。
　　這種工藝不用激光，使用、維護簡單，成本較低。用蠟成形的零件原型，可以直接用于失蠟鑄造。用ABS制造的原型因具有較高強度而在產品設計、測試與評估等方面得到廣泛應用。近年來又開發(fā)出PC，PC/ABS，PPSF等更高強度的成形材料，使得該工藝有可能直接制造功能性零件。由于這種工藝具有一些顯著優(yōu)點，該工藝發(fā)展極為迅速，目前FDM系統(tǒng)在全球已安裝快速成形系統(tǒng)中的份額大約為30％。
　  (4)分層實體制造(LOM)－沒落的快速成型工藝
　　LOM工藝稱為分層實體制造，由美國Helisys公司的Michael Feygin于1986年研制成功。該公司已推出LOM-1050和LOM-2030兩種型號成形機。LOM工藝采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一層熱熔膠。
    (5)三維印刷(3DP)－高速多彩的快速成型工藝
　　三維印刷(3DP)工藝是美國麻省理工學院Emanual Sachs等人研制的。E.M.Sachs于1989年申請了3DP（Three-Dimensional Printing）專利，該專利是非成形材料微滴噴射成形范疇的核心專利之一。3DP工藝與SLS工藝類似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金屬粉末。
　　隨著社會的發(fā)展，制造技術的進步，金屬零件3D打印技術將會在更加廣泛的領域得到應用，極大地改變人們的生活和工作方式。設計人員不再受傳統(tǒng)工藝和制造資源約束，拓展產品創(chuàng)意創(chuàng)新空間，降低產品研發(fā)創(chuàng)新成本，并縮短研發(fā)周期，同時增強了我國工藝制造能力。在未來，金屬零件3D打印在航空航天、生物醫(yī)療、工業(yè)模具、汽車制造等工業(yè)領域將得到極為廣泛的應用。
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2014-6-24 20:02 上傳

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