浅谈3D打印技术应用于金属加工

王 梦

浅谈3D打印技术应用于金属加工

王 梦

（上海理工大学 工程实训中心，上海 200093）

本文在查阅大量文献和调研的基础上，以3D打印技术应用于金属加工的一般原理为主线，介绍其定义、发展现状、加工优势、短板及在涉及到金属加工领域时所需的硬件等，并进一步分析3D打印技术在金属加工领域的发展趋势及影响。

3D打印 增材制造技术 金属加工

3D打印技术是“增材制造技术”广为人知的称呼。区别于其他传统加工方式，其不以去除材料为主要表现形式，而以离散堆集原理为基础，是零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系。关桥院士曾将其分类为“广义”与“狭义”两种。狭义的“增材制造”是指不同的能量源与CAD/ CAM技术结合，分层累加材料的技术体系；而广义的“增材制造”则以材料累加为基本特征，以直接制造零件为目标的大范畴技术群。它被认为是近30年来制造领域中最重大的成果之一，对制造业的发展产生巨大影响，引领全球进入第三次工业革命。3D打印技术是通过计算机辅助，构造出需要加工的三维图，再由计算机处理各项数据，将立体的图形分解成多个二维图，最后进行实体叠加。由此可见，3D打印技术涉及的内容较为广泛，包含CAD建模、材料、测量、激光、数控等多学科。从加工材料的角度分类，可以直接分成金属加工与非金属加工，均不需要传统的模具、刀具、夹具及多道加工工序，不仅实现相对的自由加工，也节省了工序和周期。其中，直接制造金属零件及金属部件，甚至是组装好的功能性金属制件产品，无疑是制造业对“增材制造技术”提出的终极目标[1]。本文在查阅大量文献和调研的基础上，以3D打印技术应用于金属加工的一般原理为主线，对其定义、发展现状、加工优势、短板及在涉及到金属加工领域时所需的硬件等进行介绍，最后，分析3D打印技术在金属加工领域的发展趋势及影响。

1 3D打印技术的应用发展

3D打印技术应用范围非常广泛，涉及服装首饰造型、汽车零配件制造、航空航天器部件、医疗生物工程、电子元器件等领域。虽然涉及多个领域，也可将其发展趋势归成三方面。第一，日常消费品方向。生活中需要的物品都可以通过3D打印机实现，在设备、资金、时间等成本上与传统方式也不可同日而语。一台3D打印机适合小批量、个性化的生产，对消费者本身而言也是较为有趣的体验，3D打印机开启了“社会制造”的新热潮。第二，功能零件的制造。相对前一种类别，该部分的零件制造在精度和用途上更为专业，包括航空航天类的部件，在各项参数上具有严格把控，例如，质量轻盈便捷，整体式相对拼装式承受应力的能力更好。第三，向组织与结构一体化制造发展[2]。主要体现在生物医学医疗领域中，用3D打印机完成一部分器官在外型上可以做到以假乱真，但真要用来替换人体组织，不仅要“看上去像”，还要材料和身体的软体组织相融，保证血管的联通无阻。

“增材制造技术”发展至今已取得了很大的成果，同时也发现了一些会影响成品质量的因素：第一，成品的精度取决于材料，使用不同的材料时要选取不同的技术，既然3D打印技术是材料的累加过程，那么其本身形成的厚度就决定了最后的表面粗糙度及尺寸精度；第二，本身制件的复杂程度及尺寸对生产效率的影响，在工艺安排上与传统加工方式是互补兼容的协调方式，因此，将传统加工方式与3D打印技术结合起来也是重要的研究领域之一；第三，相同应用范围中可能需要复合材料共同体现在同一制品上，因此，对材料进行控形和控性显得尤为重要。

由此可见，3D打印技术的发展前景和使用材料息息相关。3D打印材料和使用技术可分为几类：光固化成形工艺（SLA）使用光敏聚合材料；材料喷射工艺使用聚合材料或者蜡；粘结剂喷射工艺使用聚合材料、金属、铸造砂；熔融沉淀制造工艺（FDM）使用聚合材料；选择性激光烧结工艺（SLS）使用聚合材料或金属；片层压工艺使用金属或纸；定向能量沉积工艺使用金属材料[3]。材质上的分类可直接分成金属及非金属，3D打印技术中使用较为广泛的是SLA，SLS，FDM。早在20世纪90年代，3D打印技术发展的初期，当时被称之为“快速原型制造技术”或“快速成型技术”，研究人员便已尝试基于各种快速原型制造方法所制备的非金属原型，通过后续工艺实现了金属制件的制备[4]，最终目的依旧是基于某一材料体系的零部件，或功能组合的制备[1]。

2 3D打印技术的一般原理

将3D打印技术应用到金属加工领域，对高性能金属材料来说，是一种材料利用率极高的加工方式。当前使用的金属材料大多集中在航空航天用的钛合金、高温合金、高强钢以及部分稀有金属。同时，在印刷电子和柔性器件制造领域也有低熔点的金属材料值得研究[5]。

SLA光固化打印，采用紫外光在液态光敏树脂表面进行扫描，每次生成一定的薄层，从底部逐层加工。它的优点在于原料利于率极高，接近100%，尺寸精度达到±0.1毫米，表面质量优良，可以制作结构复杂的模型；缺点是成本较昂贵，且在光照下会逐渐解体[4]。SLS是选择性激光烧结技术，相比SLA立体造型，使用的是金属粉末，是最直接可以制备金属制件的方法。其利用激光束扫描照射包覆有机粘结剂的技术粉末，获得具有金属框架的零件原型，再通过高温烧结、金属浸润、热等静压的后续处理，烧蚀有机粘结剂，并填充其他液体金属材料，从而获取致密金属部件[6]。它的优点是打印时无需支撑，成品的机械性能好，强度高；缺点是材料粉末比较松散，烧结后成型精度并不高，且高功率的激光器价格昂贵。随着SLS技术的发展，SLM技术利用高能连的激光束照射预先铺覆好的金属粉末，将其直接融化，并固化成形，其几乎可以直接获得任意形状及具有完全冶金结合的功能零件，致密度可达近100%，尺寸精度达0.2～0.5mm，表面粗糙度达0.2～0.3mm[7]。基于这两种方式产生的LRF激光快速成形技术或LSF激光立体成形技术，是利用高能量激光束，将与光束同轴侧向喷射的金属粉末直接融化为液态，通过运动控制，将溶化后的金属液体按预定的轨迹堆集凝固。

相较于以上高熔点的金属，低熔点的金属材料应用也很广泛，在3D打印技术的发展过程中也具有重要作用。纸基电子线路的液态金属打印，采取的是气压式印刷方法，以液态金属为墨水，通过机械装置控制的打印喷头，成型在被印刷的基底上；液相3D打印过程是在液体环境中完成的制造方法，液体可以是水、无水乙醇、电解质溶液等，金属墨水的温度低于液体环境的温度，能保证打印出的物品为固态，相比在传统空气中冷却，液体中冷却能避免熔融液滴的氧化，起到缓冲作用[5]。

3 应用于金属加工的条件

本文提及的金属加工，主要是指传统的金属加工方式。传统金属加工方式大多以去除材料为主，而这一点和3D打印技术不同。此外，使用材料也有所区别。3D打印技术根据以上介绍，需要制备金属粉末，才能直接获得金属成品。常见的金属粉末有不锈钢、工业钢、青铜合金、钛合金、镍铝合金等，这些粉末除须具备较好的可塑性外，还必须满足粉末粒直径细小，粒度分布较窄，球形度高，流动性好和松装密度高等要求。因此，要获得优异性能的3D打印金属制品，需要开发一种高效的金属粉末制备方法，包括较为普遍的还原法和电解法，适合合金粉末生产的雾化法，以及研磨法和羰基分解法等[8]。

用3D打印技术进行金属加工，除需要金属粉末外，最重要的硬件就是3D打印机，根据不同材料的制备，使用的打印机也有不同种类。从作用上可以分为普及型的和特种型的。根据打印机的喷射方法可分为电喷丝、电纺丝、电涂绘，使用不同的材料就需要不同的成型方式。传统类型有喷墨黏粉式和熔融挤压式，均用于桌面3D打印能完成的范围。目前，3D打印技术逐渐普及，普及型的打印机被广泛应用。其外形美观，结构紧凑，价格适中，原材料获取方便。如前文所说，3D打印技术的发展趋势之一是用于日常生活消费用品，针对该需求，厂商在生产个人用的打印机时需更多地考虑家庭因素。

4 结论

3D打印技术的精度和表面质量受材质限制，因此，要在金属加工中做到逐点逐层的控制，即可做到控形控性的要求。我国在此领域尚处于起步初级阶段，只有加强财力、人力的投入，才能共同攻克技术难关，包括尺寸精度、复合材料、提高效率等各方面问题。其中，急需解决的是3D打印技术的材料问题，由此，要确定具体技术，有针对性地提高效率，降低生产成本，缩短生产周期，从而使3D打印技术广泛应用于制造产业中。

[1]赵建峰，马智勇，谢德巧，等.金属增材制造技术[J].南京航空航天大学学报，2014，（5）：675-683.

[2]李涤尘，田小永，王永信，等.增材制造技术的发展[J].电加工与模具，2012，（S1）：20-22.

[3]李小丽.3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表，2014，（1）：1-5.

[4]赵建峰，张建华，余承业，等，激光烧结铸造型壳强度试验分析[J].南京航空航天大学学报，2001，（1）：41-45.

[5]王磊，刘静.低熔点金属3D打印技术与应用[J].新材料产业，2015，（1）：27-31.

[6]张剑锋，沈以赴，赵剑峰.Ni基金属粉末激光快速制造的研究[J].航空学报，2012，（3）：221-225.

[7]曾光，韩志宇，梁书锦，等.金属零件3D打印技术的应用研究[J].中国材料进展，2014，（6）：376-382.

[8]姚妮娜.3D打印金属粉末的制备方法[J].四川有色金属，2013，（4）：48-51.

Discussion on the Application of 3D Printing Technology in Metal Processing

WANG Meng
(Engineering Training Center of University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093)

The after consulting lots of literatures and Research on the basis, to use 3D printing technology in the general principles of metal processing as the main line, introduce its definition, development, processing advantages, short board and relates to the field of metal processing in the hardware, and further analysis of 3D printing technology development trends in the field of metal processing and influence.

3D printing, manufacturing technology, metal processing