3D打印技术研究现状和关键技术概论

杨云

摘 要 3D打印技术是现代制造技术中的一项新技术，近年来，我国逐步加大了3D打印技术的研发及资金投入，在许多关键技术上取得了良好的效果。本文首先介绍了3D打印技术的概念，阐述了3D打印技术在我国的研究现状，并论述了3D打印的关键技术及其关键技术的研究和探索。

关键词 3D打印技术;研究现状;关键技术

3D打印的思想起源于19世纪的美国，20世纪80年代得到了发展及普及。与传统生产过程中使用的“减材加工”方法相比，3D打印是一种“增材制造”技术，它结合了计算机软件、材料、机械等领域的系统性和综合性特点，采用粉末金属或线材塑料等可黏合材料，通过逐层堆积的选择性黏结来制造实体零件，能省去烦琐的工序，快速打印出复杂形状的零件[1]。

13D打印技术概念

3D打印技术是一种制造过程，利用实体材料将读取的信息逐层打印出来，再将其以各种方式粘合起来制造出实体，缩短了大量制造时间，提升了成品精准度，现逐渐用于产品或零部件的直接制造[2]。

23D打印技術在我国的研究现状

（1）目前，我国3D打印技术研发以高校为中心。在我国发展中，如北京航天航空大学、北京大学等高等院校为了在技术发展中得到更大的优势，相继构建了3D打印技术研究中心，这些高校目前研发和创新的3D打印机已基本达到了世界先进水平，这也成为我国3D打印技术发展的重要动力。

（2）3D打印技术的发展使小型的市场已成形。如今，依靠各个高校的研发中心得到的成果及一些专业的研发机构所开发的相关技术，我国已拥有较多的增材装置及其服务的企业。例如，北京的一些公司可自主研发一些技术所需要的控制装置和机械系统，甚至是用于打印技术的原材料，且拥有自主产权，这也是3D打印较为核心的技术。

（3）总体水平迅速提升，金属3D打印技术位居全球领先地位。当前，3D打印技术被越来越多地运用到各个领域中，所以，3D打印技术引起了国家及科研工作者的高度重视，我国3D打印技术的总体水平持续增强。因不少3D打印材料打印出以后的成形品往往会存在变形、节点部分开裂、边角容易翘曲等现象，但我国的高性能金属零件激光成形技术将诸多难题一一攻克，我国目前也成为世界上第一个能借助选择性激光烧结技术来研发制造大型金属零件的国家。比如：北京航空航天大学3D打印技术实验室与西北工业大学3D打印技术团队共同把这种高性能金属零件激光成形技艺成功运用到我国独立研发的大型客机C919的主风挡窗框及中央翼根肋，此项技术的成功利用有效减轻了客机的重量。

33D打印的关键技术

（1）熔融沉积成形。该方法使用丝状材料（石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝）为原料，利用电加热方式将丝状材料加热至略高于熔化温度（约比熔点高1℃），在计算机的控制下，喷头作x-y平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，一层成形后，喷头上移一层高度，进行下一层涂覆，这样逐层堆积形成三维工件。该技术污染小，材料可回收，用于中小型工件的成形。成形材料：固体丝状工程塑料;制件性能相当于工程塑料或蜡模;主要用于塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。

（2）立体光固化成型技术。此技术主要通过紫外激光对液态光敏树脂进行全方位的照射，使其发生光聚合反应，这样2D截面便能通过固化和堆叠成型，在制造工作开始前，设计人员需通过计算机软件构建的数学模型来计算制造模型的规格，并要将其精确度控制在0.1mm内。需注意的是，若想要在金属物品3D打印中应用立体光固化成型技术，需同时配合DLP技术，这是因DLP技术能通过扫描获得扫描物体的表面特征、体积、表面积等基本信息，并通过直接金属沉积技术熔化金属物品中的金属丝，另金属丝沉积到平面基底上，这样外部结构的层积部件便可制造出来;随后再在金属物品表面涂抹一层液态光敏树脂材料，这样便可形成完整的三维结构。该技术具有精度高、制造效率高、成品表面质量好等应用优势，适合应用在医疗器械和复杂零件制造中。

（3）分层实体制造。该技术是指以纸、金属箔、塑料等薄片材料为原材料，并在其表面涂上热熔胶，通过热压辊碾压黏结成一层，用激光束按分层处理后的CAD模型对截面轮廓进行扫描切割，最终实现零件的立体成形。这类技术一般用于制作尺寸需求较大的零件，其局限性在于对原材料的使用量较大等。

（4）打印铸造用砂芯。砂芯是铸造生产中用于制造型芯的材料，一般由铸造砂、型砂黏结剂和辅加物等造型材料按一定的比例混合而成。砂芯在铸型中大部分被高温的液态金属所包围，而支撑定位部分的尺寸一般较小，因此芯砂除应具有一般型砂的性能外，还要求有较高的强度、透气性、退让性和溃散性。传统砂芯制作是将造型材料倒入芯盒中成型，需在分型面上制出排气通道，但该方法耗费时间，效率低，针对一些形状结构复杂的铸件，增加了砂芯制作的难度。对于尺寸要求严格的砂型铸件，按照人工制芯的方式很难满足铸件尺寸公差要求。随着近些年3D打印技术在各工程领域的应用的快速发展，采用3D打印技术制作砂芯，在满足砂型铸造工艺要求的基础上，更准确地控制了铸件的尺寸精度，能够缩短制造周期，提高生产效率。

43D打印关键技术的研究和探索

首先，提升3D打印粉末质量及获得量。通常，对3D打印质量产生影响的因素较多，包括材料流动性、粉末粒度、气体含量等。比如，3D打印技术对粉末适应性要求较低，几十到几百微米范围都能对其进行应用，细粉末通常适合应用在更精细的结构中，而粗粉末则更适合应用在大尺寸加工结构上，但当粉末粒度小于40微米，粉末的稳定性就将大幅降低，不利于材料成型。若粉末粒度较大，则需借助大功率设备开展工作，过多的热输入容易对材料力学性能产生影响。其次，制定3D打印制件无损检测标准规范。其主要是针对金属3D打印而言，金属3D打印的本质为焊接，比如气孔、夹杂、裂纹等一系列缺陷几乎无法预防。在此前提下，应尽快构建起一套适用于3D打印零件的无损检测方法与规范。另外，因3D打印件结构大部分都较为复杂，这给无损检测造成了更多麻烦，选取传统形式存在检测不准及无法检测的弊端，需深入研究新的检测方法与装置。最后，应通过使用一些合理的监控系统来监控印刷过程，从而提升印刷的质量。

参考文献

[1] 张学军.3D打印技术研究现状和关键技术[J].材料工程，2016（2）： 122-124.

[2] 王凡.3D打印技术研究现状及关键技术[J].当代化工研究，2017 （8）：137-138.