关于3D打印技术在消防装备中的应用研究

2021-11-27卢璐

中国科技纵横 2021年23期

关键词：打印机成型消防

卢璐

（青岛市消防救援支队，山东青岛 266000）

0.引言

随着新时期科技发展，3D打印技术逐渐受到国内各个科研院所的广泛关注，从最开始只能打印制造各种观赏性塑料产品进一步发展到能够对工业生产中的金属零件进行生产加工。金属零件相关3D打印技术具有较大的发展潜力，属于未来制造技术的发展主流趋势。

1.3D打印技术分析

3D打印技术可以帮助打印出各种几何形状较为复杂的结构部件，同时加工后，对应部件无需额外进行某些复杂处理。能够按照各个零部件的加工尺寸要求，从最大程度上提升材料利用率，减少材料浪费问题，对应可加工材料涵盖各种金属和塑料。3D打印技术和常规制造工艺相比，对应设计制造周期相对较短，同时适合某些无法通过常规技术制造生产的零部件。

3D打印技术具体操作原理类似于传统打印技术原理。传统打印处理主要是借助打印机将墨水直接在布或纸等平面中进行喷涂处理，最终构成二维图像。3D打印技术需要率先把所采集物品三维信息数据以及三维设计图纸转化成系列数据，随后通过打印机进行逐层分切，对分切中的不同结构层实施按层打印。3D打印技术借助物理层连续叠加，逐层添加材料形成三维实体，不同于传统模式下去除材料加工方法，所以被称作是增材制造工艺，是综合性技术工艺。3D打印技术进一步融合了化学、材料科学、信息技术、机电控制技术以及数字建模等技术，汇聚各种前沿技术知识，整体技术含量较高。3D打印机是3D打印技术中的核心装置，其属于一种汇集计算机、控制和机械技术为一体的机电系统，包括成型环境、喷射系统、数控系统、高精度机械系统等部分组成。除此之外，控制软件、设计软件、打印工艺、新型打印材料也是3D打印技术中的重要组成内容。随着3D打印技术的持续发展，相继形成了数十种成型方法，普遍可以将其分成两种形式，第一种是以激光技术为基础的成型方法，像是纸叠层、立体光刻、选择性激光熔化以及选择性激光烧结等。第二种是非激光技术为基础的快速成型方法，像是实体磨削固化、冲击微粒制造、掩膜光固化、三维打印以及熔丝沉积等技术。随着各个国家的大力支持，使3D打印技术越加成熟，对应打印加工精度和选用材料也得到明显提升。打印速度相继加快，通过高分辨率进行打印，平均每小时打印加工的垂直高度超出1英寸。

2.3D打印技术流程分析

2.1 三维建模

3D打印技术处理中，需要充分利用设计产品对应3D数据，通过分层叠加成型的方法进行打印加工，具体工艺流程可以细分为三维建模、数据分割、打印加工以及后续处理4种环节。三维建模阶段中，该项操作属于3D打印加工生产基础，开始实施打印加工前，应该通过三维软件针对制作产品实施综合建模，所以3D打印离不开计算机辅助参与设计工作。实际建模中可以借助SolidWorks、Pro/E、AutoCAD等核心软件帮助设计成型，其中应该注意在实施建模操作中保障相关产品尺寸的准确性，打印机产品综合生产制造过程应该严格按照各种信息数据对产品制作外形进行合理控制。

2.2 数据分割

结束三维建模工作后，打印机可以进一步把三维数据分割成二维信息数据，随后把整体三维模型顺着水平面进行切割，划分成不同数量二维薄片，对应各个薄片自动生成平面尺寸信息。该种操作主要是在打印机内部进行操作，所切割的薄片数量通过打印机装置以及所用材料所决定，从理论层面分析，随着分割层数持续增加以及薄片数量增长，对应打印产品尺寸和原始设计数据更加接近。

2.3 打印

打印制造中能够看到喷洒材料制成二维图形，整个操作过程像是喷墨打印机，其中存在某种差异的是喷墨打印机主要是逐行喷绘图案，至于3D打印技术则是在结束首层喷绘处理后，以此为基础实施二层喷绘处理，整个数据分割过程所形成的薄片数量则需要实施对应层数喷绘处理。通过分析可以发现，3D打印技术本质上是借助材料厚度通过逐层堆积构成某种三维产品，不同层间融合可以借助喷嘴喷洒胶水实施粘结处理，打印过程便是喷洒一层粉末材料后，继续喷洒一层胶水。

2.4 后处理

初步打印好三维产品后，还需要采取一系列的处理措施才能顺利应用，促进产品成功出厂。处理工艺可以分为上色、修整、固化以及剥离等环节。该种类型设备在实际运行中普遍会在产品底层喷洒相应高度底座，随后以此为基础正式打印产品，该种操作方法主要优势便是能够合理控制产品底座和工作台接触，预防剥离过程中所形成的意外损伤，所以在结束打印工作后，只需直接拆卸整个底座，对产品剥离进行细致检查即可。针对某些材料加工产品，还应该额外实施光固化操作，固化处理后进行上色以及细节调整等工作，便能够促进整个打印过程顺利完成。

3.3D打印技术分类

3.1 选区激光熔化

3D打印技术中的主要实施方法之一便是选区激光熔化，该种技术是在粉床选区相关激光烧结技术基础上发展形成的，把金属粉末当成主要加工材料，通过高能密度激光束，对金属基板中所铺洒的粉末进行逐层熔覆堆积，最终成功制造成品金属零件。系统SLM设备装置涵盖零件成型模块、粉末存储模块、粉末碾压模块、激光阵镜、激光器等部分组成。SLM快速成型相关技术原理如下，借助切片技术对连续三维CAD数模实施离散处理，发展成拥有一定厚度和按顺序分层切片。对各层切片形成轮廓进行有效提取，按照切片外部轮廓优化设计激光扫描器操作路径，合理确定激光扫描运行速度，明确激光扫描强度，同时把各种操作过程转化为计算机系统中的数字化控制流程。对激光熔化沉积腔进行抽真空处理，随后按照一定标准压力填充相应的惰性保护气体，避免粉末熔化中产生氧化问题。计算机控制对应升降系统进行上升操作中，相关粉末碾轮可以从粉末存储模块中将粉末直接推入零件成型处理工作台对应基板中，随后在计算机发出的操作指明下，控制激光器设备按照提前设置好的扫描流程实施全面扫描制作，将基板中所铺洒是各种粉末全部熔化，通过熔覆处理形成和对应层尺寸、形状相同的熔覆层。上移粉末储存室，对应零件成型室进行下移，大概移动一个切片厚度，随后对上述流程进行重复操作，通过不断地逐层熔覆和堆积，到最终形成符合CAD模型设计构件[1]。

3.2 电子束选区熔化

电子束选区相关熔化技术具体操作原理类似于SLM技术的加工成型操作原理。对应操作原理主要是借助电子束针对各种丝材以及金属粉末实施逐层熔化，以及凝固堆积，直接加工生产出致密性金属零件，其中主要差异便是热源不同。EBSM在实际操作中主要把电子束当成主要热源，EBSM相关3D打印技术在实际应用中具有更高的能量利用率，同时功率密度相对较高，没有反射，聚焦方便，种种优势下进一步扩大了相关技术推广应用。EBSM技术进行加工处理中，主要把金属粉末当成基础原材料，相关应用范围十分广泛，特别是针对各种存在较大加工难度以及难以熔解的材料加工中具有突出作用，涵盖镍合金、钴铬合金、不锈钢、钛基金属化合物、钛合金等。对应制品具有较高复杂性，能够提升成品综合力学性能。该项技术同时适用于发动机以及航空飞行器中的多联叶片、散热器、机匣、吊耳、支座等结构部件。

3.3 激光净成型

激光工程净成型属于快速成型制造新型技术，此类快速成型技术可以在全面融合激光熔覆技术以及选择性激光烧结技术基础上，可以准确、快速得到高强度以及高致密度的金属元件。选择性激光烧结相关操作技术原理如下，通过计算机系统中的CAD软件制作零件CAD实体模型，同时对实体模型进行离散处理，生成STL文件，借助切片软件对STL文件进行准确读取，对零件进行合理切割，形成系列薄层，随后对各层进行合理扫描，形成扫描运行轨迹。将金属粉末逐层铺洒在活塞工作平台当中，通过各层扫描轨迹对激光束移动操作进行有效控制，实施金属粉末扫描烧结，构成满足设计形状要求的金属元件。激光工程相关净化技术普遍适用于成型金属制造注射模型、大型金属零件、修复模具以及大尺寸薄壁形状结构零件设计生产，同时能够帮助对各种活性金属进行有效加工，比如钛、钨、铼、镍、钽以及各种特殊性金属材料[2]。

4.消防装备领域中3D技术的有效应用

4.1 核心部件修复

对于国内的各种进口消防车，相关配件出现损坏，需要替换的条件下普遍是从国外进口，配件采购时间较长，价格高昂。为此消防机构相关装备维修中心应该积极迎合维修技术前沿领域，合理使用3D打印技术对消防车各种配件进行合理制造生产，创建3D打印中心，借助3D打印技术对消防车装置进行有效维修，提供基础保障，支持消防车各种零件配置。消防设施维修领域中对于3D打印技术的应用需要以各种数字模型作为基础参考，通过丝状粘合材料，借助逐层打印措施打造非关键部位构件，利用三维扫描装置扫描各种非核心部位实物。通过计算机信息技术实施软件建模，联系三维扫描装置所得到的信息数据实施合理建模，随后对所创建三维模型进行合理区分，构建逐层截面。3D打印技术在对数据系统内不同截面信息进行读取采集同时，借助丝状材料逐层打印截面，利用特定方法粘合不同层次截面，创造出统一实体。在成功打印不同零部件后，或许可以利用超声波清洗剂进行全面上色、打磨和清洗等处理，最后应用到维修作用当中。

我国某个省市中的消防总队装备维修机构成功研发出某个型号进口消防车前雾灯边框，能够用于维修作业实际操作当中，有效减少维修时间，节约维修费用，得到了突出的维修效果。维修中心借助3D打印技术可以进行灵活生产，具有快速成型和方便装配等优势，可以进一步提高相关装置中各种非关键零件的生产效率，优化整个供应链生产，帮助减少对应配件采购成本。针对不同组成配件创建完善的制造流程和设计系统[3]。

4.2 装备设计研发

消防装备相关研发人员在设计研发新型消防装备过程中，初期设计构思较为简单，但主要难在将设计思路转化为实物的生产加工过程，制造实体设备样机方面存在一定难度，主要原因是现有加工制造方法不能充分满足各种异形零件的加工需求，同时加工生产中需要投入较高成本，生产周期相对较长。美国某一地区通过3D打印技术为消防机构研发制造出一种遥控操纵的抓钩设备，此设备能够设置在四轴飞行器中，用来进行救援和搜索。最开始设计的抓钩形式类似于商场中玩具抓机中的爪状结构，通过开关来控制和移动物体。后期，基于迭代设计基础上，额外增加各种创新设计，能够应用到各种救援设备和搜索设备当中，能够顺利传送水、医疗用品、手机以及对讲机等物品到救援人员无法抵达的区域内。因为设计对象主要是各种非通用产品，普遍无法及时找到可以满足实际需求的零件成品，因此借助CAD软件实施自主设计，和打印制造。

4.3 消防展品生产

针对消防设备展品进行制造方面，合理应用3D打印技术能够提升产品生产效率。在实施消防教育科普活动中，普遍会遇到以下问题，即针对某种消防装备产品单纯通过语言描述普遍无法准确表达出来，假如可以直接展示出消防装备实体，能够提升整个展示效果的生动性和直观性。而消防产品通常体型和占据空间面积相对较大，携带困难。假如应用3D打印技术能够按照一定比例将消防装备进行缩小打印，方便后期携带展示。