3D打印技术研究现状和关键技术研究

马忠波

（甘肃有色冶金职业技术学院，甘肃 金昌 737100）

近年来，3D打印技术水平持续上升，3D打印技术已成为全世界重点关注的技术之一，各国对3D打印技术的研究不断深入，提高了技术的成熟性、打印效率和准确度。3D打印技术的工作原理为离散/堆积原理，通过不断累积材料的方式来完成制造，使用计算机将零件3D模型进行切割，将其切割成为薄片，按照自下而上的原则叠加薄片，最终堆积成为实体零件。3D打印技术不需要使用刀具或者模具，所需要的成本较少，符合现代社会的发展理念，可以在短时间内完成批量打印，满足人们的打印需求。3D打印技术的应用可以制造出结构较为复杂的零件，实现传统工艺形式无法达到的打印效果，简化了生产流程，加快了制造速度，是未来所重点发展的技术类型。

1 3D打印技术阐述

1.1 3D打印技术原理

普通打印机能够根据电脑的设计完成物品打印，所打印出的物品均为平面的状态。3D打印技术的工作原理和日常生活中所使用的多数打印机相同，区别在于所使用的打印材料有所差异，普通打印机使用墨水、纸完成打印，3D打印技术是使用金属材料、陶瓷材料、塑料材料等进行打印。将3D打印机和计算机进行连接，利用电脑对材料进行控制，将不同材料堆叠之后可以将计算机设计转化为实体物品。3D打印技术的使用为我国制造行业的发展带来了新的动力，可以完成复杂零件的制造和打印，简化零件制作流程，提高零件生产制作效率。

1.2 3D打印技术打印过程

1.2.1 三维设计

在进行三维设计的时候需要先利用计算机的相关软件完成建模，对构建完毕的三维模型进行切片处理，从而为打印机的打印作业提供指导。设计软件以及3D打印机在共同协作时所使用的标准文件格式为STL，是一种利用三角面对物体表面进行模拟的文件格式，其中三角面的大小和表面分辨率之间的关系为反比关系。

1.2.2 切片处理

打印机对文件中的横截面信息进行读取，使用液体状材料、片状材料和粉状材料将截面进行打印，之后利用相应的方式和手段将截面进行粘合，构造出物品实体。基于这一工作原理可以制造出任何形状的产品。传统的制造方法多为注塑法，所需要的成本较少，能够获得较多的聚合物产品，而3D打印技术的出现可以在更短的时间内以更低的成本完成产品制造。传统制造技术下需要花费数个小时或者数天的时间完成模型制造，而3D打印技术则能够在短短几个小时内完成打印[1]。

1.2.3 完成打印

3D打印机的分辨率可以满足多种情况下的应用需求，但是如果表面较为弯曲则分辨率较低，存在粗糙的现象。要想提高分辨率可以使用3D打印技术打印体积较大的物品，对物品表面实施打磨处理之后则可以提高表面的光滑度和分辨率。不同类型的3D打印技术所具备的特点不同，部分技术可以在同一时间使用多种不同材料完成打印，部分技术在打印作业时使用支撑物，为了能够减轻后期的作业难度，需要选择可溶性材料作为支撑物。

1.3 3D打印技术类型

1.3.1 熔融沉积成形技术

熔融沉积成形技术所使用的原料多数为PLA材料或者ABS材料，是一种具有热塑性的丝状材料。在使用该技术时会利用加工头的加热积压作用完成制造，在计算机系统的控制下将热塑性材料进行堆积，最后可以获得成形的立体化零件。熔融沉积成形技术应用最为普遍，具有较高的成熟度，成本较低，并且还可以完成彩色打印。

1.3.2 分层实体制造技术

分层实体制造技术的制作原料为薄片状的材料，例如金属箔或者塑料薄膜等都是较为常用的原材料。在使用该技术时会在薄片材料的上方涂抹热熔胶，按照不同截面的具体形状完成切割处理、粘贴处理，从而形成立体化的零件。分层实体制造技术的打印速度较快，能够制作个别尺寸较大的零件，但是在生产过程中容易出现材料浪费的问题，并且物品表面的质量和其他技术制造出来的产品相比较差[2]。

1.3.3 光固化立体成形技术

光固化立体成形技术是可以对液态原料实施固化处理，并将固化材料进行堆积之后成形的技术。固化处理过程中所使用的技术为紫外线激光，对环氧树脂这一类液态的光敏聚合物材料进行扫描，充分利用材料所具备的特点。光固化立体成形技术可以生产出结构复杂的部件，生产精度高，可以提升材料利用效率，但是并不适用于常见的材料，在进行制造的过程中所需要投入的成本过高。

1.3.4 激光选区熔化技术

激光和电子束选区熔化技术的工作原理较为相似，两种技术都是以粉末床为基础的铺粉成形技术，两种技术的热源有所不同。激光选区熔化技术的热源为激光束，该种技术难以制造出尺寸过大的零件，但是可以满足复杂零件的制作需求，生产出的零件质量高、表面光滑。

1.3.5 金属激光熔融沉积技术

金属激光熔融沉积技术也是一种将激光束作为热源的3D打印技术，使用自动送粉的方式完成金属粉末同步处理，可以将金属粉末更加精准地送入到熔池之中。激光斑点在移动的过程中会让金属粉末持续进入熔池，在进入熔池之后金属粉末会经历熔化到凝固的过程，最后可以形成所需要的零件形状。金属激光熔融沉积技术的优势在于可以制造出尺寸较大的零件，但是只能适用于内部结构简单的零件生产作业中，无法生产出结构复杂的零件。

1.3.6 电子束选区熔化技术

电子束选区熔化技术的热源为电子束，成形材料多数为金属粉末，在使用该技术时需要处于真空环境[3]。该技术使用时会使用电子束对金属粉末实施扫描熔化处理，让不同的小熔池进行熔合，在其凝固之后可以形成零件实体。电子束选区熔化技术所生产出的零件性能水平较高，但是零件的尺寸会受到一定因素的限制，例如粉末床因素或者真空室因素。

1.3.7 电子束熔丝沉积成形技术

电子束熔丝沉积成形技术同时也被称为自由成形制造技术，所处的作业环境、热源均和电子束选区熔化技术相同，但是所使用的成形材料为金属丝材。利用送丝装置可以把金属丝不断地送进熔池内部，使得金属丝可以按照原有的轨迹持续运动，一直到形成目标零件或者目标毛坯为止。以电子束为热源的熔丝沉积成形技术工作效率极高，零件质量较好，内部构造精确度高，但是成形质量较差，表面质量也较为粗糙，并且无法对塑性差的原材料进行处理和加工[4]。

2 3D打印技术研究现状

当前3D打印技术发展速度不断加快，所能使用的材料类型不断增加，能够制造出越来越复杂的零件类型，零件质量和精度有所上升。国内和国外对于3D打印技术的研究重视度都不断提高，因此，研究逐渐深入，具体研究现状如下。

2.1 国外3D打印技术研究现状

1990年，美国开始重视发展激光熔融沉积成形技术，相关高校和企业重点针对钛合金3D打印技术实施研究，开发了钛合金柔性制造技术。通过该技术打印了多种不同类型的飞机零件，如接头部件、推力拉梁部件等。同时期德国开始使用激光选区熔化技术，于21世纪初期研发成功，依据此技术开发出SLM设备，多家高校在大型航空企业的资金支持下对SLM材料的特点、缺陷等进行了研究。2012年，SLM技术应用范围有所增加，国外电气航空集团收购了3D打印企业，使用激光选区熔化技术打印出了燃油喷嘴，为喷气式发动机的生产制造提供了重要的零部件支持。SLM技术也开始被应用于医疗行业，国外开始使用该技术制作出可摘除式局部义齿，或者以不锈钢为原材料的固定桥。1990年，瑞典高校和企业共同合作开发了电子束选区熔化成形技术，企业随后在市场上推出了电子束选区熔化成形设备和产品，为广大工厂以及研究机构提供了重要的支持。电子束选区熔化成形技术在航空航天领域、医疗领域均有着广泛应用，例如，医疗行业开始使用该种技术进行颅骨打印、股骨柄打印和髋臼杯打印，可以在短时间内获取骨科所需要的植入物，为骨科研究、医疗活动的开展提供了丰富的资源。在航空航天领域中，该技术的应用也较为广泛，并且各个企业开始利用电子束选区熔化成形技术制造发动机内的复杂零件，其中，意大利企业制备出了TiA1基合金发动叶片，为航空零件制造行业的发展提供了重要助力。

3D打印技术具备多种优势，未来市场发展前景较为广阔，各个国家都开始加大在3D打印技术研究方面的成本投入。美国、英国都先后根据3D打印技术发展情况设定了相应的研究中心，产业结构也逐渐得到完善，为经济发展提供了新的助力。2014年，日本推动了以3D打印技术为内核的制造革命进程，对3D打印设备、系统、零件等多个方面进行研究，加快了3D打印技术发展速度[5]。

2.2 国内3D打印技术研究现状

我国3D打印技术的研究时间和世界其他国家相同，并且近年来陆续成立了各种负责该技术研究的单位和机构，取得了较好的研究成果，在国际上处于较为领先的位置。最初，国内多个高校针对激光快速成形技术展开了研究，并形成了以该技术为核心的成形系统，选择了多种不同类型的金属材料进行了大量的实验。例如，西北工业大学团队使用该技术打印出了飞机钛合金左上缘条，零件的最大尺寸为3 m，重量达到了196 kg。华中科技大学针对激光选区熔化技术和激光选区烧结技术进行了研究，针对高分子和金属材料展开了3D打印研究，开发了SLM设备，能够对金属粉末进行加工，并且还研发出了快速3D测量技术和测量装置。西安交通大学使用3D打印技术完成了骨科领域中的修复作业，使得3D打印技术在生物医学领域中有了更加深入的应用。清华大学也研究出了使用ABS、蜡等材料完成制造的FDM工艺，在3D打印材料的研发工作中有着较好的应用效果。目前，国内的3D打印技术研究单位多数为高校，并以高校为核心构建了研究中心，对于3D打印技术的研究深度有所增加，为3D打印技术在我国国内的应用提供了重要支撑。

随着国内3D打印技术研究水平的不断提高，借助有关于3D打印技术的研究成果加之政府的大力扶持，国内成立了大量的3D打印设备企业和相关服务企业，加快了3D打印技术产业化速度，开拓了小型市场。国内企业创新能力不断提升，自主研发出了有关于3D打印技术的核心科学技术，2015年，我国相关市场规模已经达到50亿美元左右，和2014年相比市场效益增加约一倍。近年来，3D打印技术市场的发展速度不断加快，市场规模也不断扩大。3D打印技术的应用范围也有所增加，在多个领域中均有着较为广泛的应用，但是3D打印技术仍然存在一定的局限性，成形后的零件会出现变形或者节点开裂的问题，并且零件的边角部位容易出现翘曲的问题。为此，国内针对激光成形技术进行了研究，攻克了相关的难题，为航空航天领域、医疗领域的发展提供了重要支撑，制作出了各种高质量的零部件。

3 3D打印技术关键技术研究

3.1 加强3D打印粉末质量以及获得率

3D打印质量会受到多种因素的影响，包括球形度因素、流动性水平、粉末粒度大小等。例如，在3D打印技术应用过程中可以使用数十微米到几百微米的粉末，其中，粒度小的粉末可以被应用在精细零件的生产制造过程中，粒度大粉末则可以应用在尺寸大、加工余量大的零件制造过程中。如果粉末粒度在40微米之下，送粉作业会出现不稳定的问题，难以使零件成形；如果粉末粒度较大，则设备使用功率需要增加，而如果热输入过量，则会对材料的力学性能水平造成影响。

3.2 构建3D打印零件无损检测标准

为了能够提高3D打印零件的质量，需要对成型的零件进行无损检测，及时发现零件上是否存在气孔或者裂纹[6]。无损检测不会给零件造成损伤，因此，相关人员应当研发出系统性的无损检测标准，能够在零件检测过程中合理使用无损手段完成零件检测，保证能够对零件的质量进行评估，为后续3D打印技术的研究提供重要的数据基础。在制定标准时需要明确无损检测方法、检测设备、检测工艺，根据不同3D打印技术的特点构建完善的缺陷控制体系。

3.3 提高3D打印设备的能力

3D打印设备能力会影响到3D打印技术的应用效果，需要不断强化该设备的能力。以激光熔融沉积成形技术为例，需要对送粉器进行改进，提升送粉稳定性水平及送粉精确度水平，避免由于不稳定的问题而给零件打印质量造成不良的影响。

4 结束语

3D打印技术在当前制造行业内属于一种重要的制造技术，为材料制造和结构构建提供了新的手段，可以为传统制造提供有效补充，改变传统制造工作存在的局限性。3D打印技术适合于不同类型复杂结构的零件制作需求，生产流程较短，可以充分发挥设计人员的想象力，让无法实现的构造理念转变为现实。3D打印技术包括熔融沉积成形技术、分层实体制造技术、光固化立体成形技术、激光选区熔化技术、金属激光熔融沉积技术、电子束选区熔化技术、电子束熔丝沉积成形技术。3D打印技术具有一定的局限性，例如，以熔化金属为基础的打印技术适用于具有较好塑性的金属材料，所以需要针对3D打印技术进行更加深入的研究。3D打印技术需要技术积累的过程，应当在长期研究过程中不断解决该技术所存在的问题，提升3D打印技术的应用广度和应用深度。