浅谈关于3D打印金属材料的技术应用

刘永利

[摘           要]  随着3D打印技术的出现，3D打印技术凭借自身所具备的减少生产材料、降低生产成本以及可实现远程加工等特性，再加上打印材料的不断丰富、直接生成成品理念的不断形成以及功能的实现，使其一直被誉为制造行业最具有发展前景的生产制造技术。为了对3D打印技术现阶段的关键技术以及瓶颈进行详细的分析了解，通过对国内外3D打印技术资料以及3D打印技术的种类与金属材料进行分析探讨，对未来金属3D打印技术的发展进行展望。

[关    键   词]  3D打印;金属材料;技术应用

[中图分类号]  TP334.8                [文献标志码]  A             [文章编号]  2096-0603（2020）13-0184-02

虽然3D打印技术早在20世纪80年代就已经诞生，但是一直到20世纪90年代才得到真正应用。这种技术是一种快速成型技术，其与传统的加工制造行业不同，3D技术更偏向于一种增材制造方式，其主要原理是通过对三维设计软件进行合理的利用，并利用设计的原理将3D打印技术不断应用，或者通过逆向工程采集相关数据转变成相应的模型后，再利用切片工具对其进行逐层平面切片，最终堆积成所需要的实体。

一、3D打印技术金属材料现状

（一）国外金属材料3D打印技术研究现状

近年来，随着金属材料3D打印技术取得的发展，从20世纪90年代开始正式得到应用，直至现在，全球的金属材料打印机销售量一直呈上升趋势。目前，国外金属材料打印技术的先进代表主要有德国Trumpf以及美国POM公司DMD505，而我们通过这两个先进代表取得的实质性进展，例如，对钛合金叶片的修复打印技术，其力学性能已经达到能够锻件的水准，并且该技术已经达到可以应用在民用或军用飞机上的要求。除了在制造方面的延伸发展，3D打印技术不断创新，现在甚至已经可以应用到生物技术上面，通过触摸3D打印技术，能够对孕妇腹中胎儿进行超声波图像模型打印，这项技术2015年5月在巴西首次得到成功应用。

（二）国内金属材料3D打印技术研究现状

金属材料3D打印技术自20世纪90年代起，我国就已经有相应的研究，并且在钛合金和生物医疗方面也取得了一定的成就。而后，清华大学在对金属材料3D打印技术的研究中，也取得了一定的成就，并且在EBSM技术方面更是取得了较为重大的突破。另外，我国南京航空航天大学在其主要研究的SLM技术以及其硬件系统、工艺特性和成型件力学性能等方面都取得了相应的突破，部分已经达到或者接近国际先进水平[1]。同时，近年来我国为了能够推进3D打印技术的发展，国家根据实际情况制定了相应的文件并普及政策，大力支持3D金属材料打印技术的发展。

二、当前3D打印技术的分类

当前，3D打印技术随着不断的创新发展，其针对不同的情况所采用的加工方法以及材料都存在着一定的差异，现目前有关3D打印技术的分类主要有以下几种。

（一）3DP技术

3DP技术主即一种标准喷墨打印技术，这种打印技术的材料通常为液体，其打印出的模型可以通过多种色彩的形式进行呈现。其主要的技术原理是通过对喷射粘结剂粘结粉末形成制件实体，这种3DP技术在进行模型打印中的具体工作流程为：首先通过控制系统对喷头进行有效的控制，并使其按照所给的一层截面信息在事先铺好的一层粉末材料上进行选择性的粘结剂喷射。当每一层截面薄层形成后，工作台就会根据所给出的数据指令进行下降再次循環粘结剂的喷射工作，重新形成新的一层薄层，并通过这样的不断循环，一直到所需薄层全部形成完毕[2]。通常情况下，经由3DP技术打印出来的制件都还需要进行相应的后续处理，才能够达到各类应用对强度上的要求。

（二）SLA立体平板印刷技术

SLA立体平板技术通常多采用计算机对模型进行分层，并且能通过计算机来对打印制件各分层截面以及堆积路径信息进行相应的处理，最终得到相应的三维实体模型。这种通过SLA立体平板印刷技术所打印出来的石头模型材料通常多为塑料以及树脂等，同时这种打印技术具备打印速度快、能够对较高的自动化加工进行实现的特点，最终形成的实体模型的形状也较为复杂，精度较高。

（三）SLS选区激光烧结技术

SLS选区激光烧结技术，顾名思义，这种打印技术主要采用的打印方法即是通过对激光进行利用，使激光对每层金属粉末在计算机的控制下按照一定的路径进行烧结从而层层堆积成型。并且这种打印技术相较其他打印技术，其采用的方法工艺简单，材料也多为金属，主要应用于模具制造业的快速成型。

三、金属打印的关键技术

（一）难熔金属的3D打印

众所周知，不同金属之间的熔点存在不同的差异，有些金属熔点较低，就很容易被融化，而一些金属熔点较高，在对其进行相应加工时，就会出现难以融化等现象。在金属材料3D打印中，也同样存在着相应的问题。例如，钨、钼、铼等金属材料，其熔点都较高，对其进行相应加工融化时就较为困难，比如其中钨的熔点就高达3410 ℃，正常情况下如果将其制成用于3D打印的球形粉末就较为困难。但是，通常事物都具有两面性，这些难熔金属也是一样，由于难熔金属的熔点较高，其也就具备耐高温、耐腐蚀等特点，这类金属材料也多被应用在航空航天领域关键部件中[3]。目前，有关金属球形粉末3D打印的相关设备及其材料的核心技术主要被德国、美国以及日本等国家控制，并且金属球形粉末的制备已经实现工业化生产。虽然在近年来，我国在金属3D打印设备、制造工艺以及过程控制与工艺稳定性等方面都取得了较为显著的进展，但在相关材料方面仍然存在一定阻碍，尤其是对超细3D打印难熔金属球形粉末的材料纯度以及求化率等方面指标上，与德国、美国以及日本等国家仍存在较大的差距。

（二）提高3D打印设备能力

目前，国内对金属材料3D打印技术仍然存在着一定的问题，而这些问题的存在，也在一定程度上对3D打印技术的突破发展造成了阻碍，而如何有效解决此类问题，提高3D打印技术能力成了当前的主要研究方向。其中，对当前国内对金属材料3D打印的主要问题包括当前中国金属打印的成型大尺寸零件的打印尺寸范围有限，当前国内对该类成型大尺寸零件的打印只能打印出400 mm×400 mm×400 mm尺寸。另外，目前3D打印设备的效率普遍较低，在进行打印的同时，不能够做到进一步的压缩工作，并且在对最后打印出的模型等的质量控制也存在一定的不足，不能够完全保证打印质量。例如，在对3D打印出成型的模型粗糙度的把控方面就存在一定的不足，比如对粗糙度的控制最好只能够达到Ra6.4左右，而在传统的加工方式中，对粗糙度的把控最低只能够达到Ra1.6左右。因此，针对当前国内金属材料3D打印技术中所存在的问题，必须通过3D打印技术中的打印范围、打印速度以及打印精准度等方面进行相应的调整，从而合理有效地提高3D打印设备能力。

（三）制定相应的检测标准

当前，对金属材料3D打印技术还没有一定的检测标准以及体系形成，因此，在对3D打印质量的把控上不能够直接像传统加工方式一样直接对最终打印成型的产品进行合理有效的评价。例如在对打印过程中一些类似夹渣、气泡等不可避免的问题出现时，并没有具体的检测手段以及工具来对其进行合理的检测，因此并不能够直接对最终打印成型的产品进行合理有效的评价。而针对这一问题，最好的解决方法就是制定好相应的检测标准。

（四）形成系统的使用寿命以及使用方式数据库

随着信息技术时代的飞速发展，在这一时代背景下的3D打印技术也自然深受信息技术的影响，在目前，无论是3D打印技术，还是其他领域的创新，都是基于信息技术的发展而进行的，而基于信息技术的数据功能也自然成为3D打印技术发展创新的关键。虽然在当前时代，物联网的逐渐完善，使相关的使用者能够远程获得并打印相应文件，但是通过将大数据与3D打印技术相互融合，加上3D打印技术几乎在当前社会上的所有领域所存在的影响，也同样能够使更多的生产商以及研究者们能够看到远超我们想象的扩展功能。因此，要有效推动3D打印技术的发展，就必须建立起合理的远程连接并成立使用方式数据库[4]。另外，随着3D打印技术的发展，在各个领域中的应用越来越广泛，无论是个人还是制造商或者航空、医学等领域对3D打印技术的使用也越来越多，如果没有合理地建立有效数据库，久而久之也就很容易出现各种问题，3D打印技术的使用寿命也就会缩短，這也体现出在3D打印技术中，延后系统的使用寿命以及建立合理的使用方式数据库的重要性。

综上所述，本文通过对国内外3D打印金属材料的现状进行分析，我们能够了解到，随着3D打印技术的不断创新发展，所涉及的领域也在不断扩展，甚至在生物医学领域也应用比较广泛，例如，通过触摸3D打印技术能够对孕妇腹中胎儿进行超声波图像模型打印，就是3D打印技术在生物医疗领域中较为成功的应用。近年来，无论是国内还是国外，对3D打印技术的研究从未停止过，国内出台各项政策支持3D打印技术的发展，加大3D打印技术的研究。而通过本文对当前3D打印技术的种类以及金属材料3D打印的现状、金属材料3D打印的关键技术进行的探讨分析，能够发现在目前，我国对3D打印技术的研究发展在不同领域都取得了一定的突破，而这些突破都在一定程度上对我们国家的制造水平以及生活、生产方式都进行了一定程度的革新。

参考文献：

[1]赵北晗.浅谈3D打印技术及应用[J].无线互联科技，2015（6）：132-134.

[2]张涛.浅谈3D打印技术在机械制造领域的应用研究[J].内燃机与配件，2019（5）：210-211.

[3]程俊廷，张怿，卢建军.浅谈3D打印技术的应用与发展[J].机电信息，2018（27）：96-97，99.

[4]王梦.浅谈3D打印技术应用于金属加工[J].现代制造技术与装备，2016（1）：115-116.

编辑 马燕萍