3D打印技术过程控制问题研究进展

2022-03-14董梦莹

现代工业经济和信息化 2022年12期

董梦莹

（江苏省徐州技师学院，江苏徐州 221000）

引言

3D打印技术这一新兴技术的出现、发展，并快速应用于零部件的生产，引起各国的重视，并加大在3D打印技术上的研究投入。3D打印技术相较于传统的零部件制造，有着极高的效率与精准性，在实际生产过程中，不需要使用任何模具，也不需要使用刀具进行切割，降低了成本，符合现阶段社会发展的需求，有着广阔的应用前景。3D打印技术可以生产各种复杂的零部件，在降低生产成本的同时加快了生产的速度与准确性，有利于现代化建设。

1 3D打印技术原理

3D打印技术原理可以分为三个方面。一是软件建模，利用CAD与PE等各种建模软件可以设计出大部分零部件，3D打印技术很大程度上依靠于计算机科学技术的发展，随着计算机科学技术的不断发展，3D建模的质量也变得越来越精细。二是3D模型的分层，其原理为将三维物体的数据通过信息化技术转化为二维的数据，3D打印技术可以对一个完整的三维模型进行多个层次的划分与切割，并将其以二维数据的方式进行记录、设计。在实际的3D打印过程中，对一个完整的三维模型划分与切割的层次越多，所打造出的零部件尺寸准确度就越高，越接近于原始的零部件数据。在实际打印过程中，不仅要重视打印机设备，同时也要重视打印的材料。三是模型打印，3D打印技术可以对三维物体每一个分层的信息读取、采集，可以有效地将液体、凝胶状、粉末状的材料甚至是生物活性细胞组织进行不同方式的结合，通过3D打印进行不同分层的积累，最终形成完整的零部件产品[1]。

2 3D打印技术的分类

3D打印技术多种多样，如今人们已经掌握了3D打印的技术方法，3D打印技术也更加成熟。虽然不同的3D打印技术之间存在着较大的差异，但是最终所生产的零部件成品是一样的。

2.1 熔融沉积成形技术

熔融沉积成形技术主要是利用各种热塑性的材料，通过不断提高温度并大力挤压，运用计算机进行监控，将这些热塑性材料进行层层堆积，最终得到完整的零部件。这种熔融沉积成形技术是目前应用最广泛的3D打印技术，可以有效降低成本，并且可以进行彩色打印。

2.2 光固化立体成形技术

光固化立体成形技术主要利用紫外激光对三维的液体进行扫描，实现对液体材料的3D打印，通过层层堆叠的方式，可以将原本复杂的液体零部件简单化，并且可以有效提高零部件的精度，对打印的材料也可以进行重复利用。主要缺点是成本过高，无法形成大规模的工业化利用[2]。

2.3 分层实体制造技术

分层实体制造技术利用的原材料是一种薄片材料，在材料的表面涂上热熔胶，然后利用计算机科学技术对每层进行切割、组装，最终实现零部件的打印，这种技术可以快速打印出大尺寸的零件。但是，会造成大量的原材料浪费，而且最终零部件成品表面会出现大面积的粗糙现象。

2.4 电子束选区熔化技术

电子束选区熔化技术是在真空环境下进行，利用电子束将金属粉末打印成型的技术。一个个细小的金属粉末熔池中相互融合并凝固，最终形成一个完整的三维立体零部件。

2.5 激光选区熔化技术

激光选区熔化技术也是一种利用热源将金属粉末打印成型的技术。但是，在实际操作过程中，通过激光束的热量打印出更为复杂且性能优异、表面光滑的零部件，缺点是无法打印出大尺寸的零部件[3]。

2.6 金属激光熔融沉积技术

金属激光熔融沉积技术利用激光束将金属粉末输入到激光成型表面的熔池中，通过不断地移动激光束、更加精确地将金属粉末进行熔融和凝固，最终获得一个特殊的零件形态。这种金属激光熔融沉积的技术虽然能够打印较大尺寸的零件，但是不能打印较为复杂的零件。

2.7 电子束熔丝沉积成形技术

电子束熔丝沉积成形技术指的是在真空的环境中，利用电子束作为热源，将金属丝材作为原材料，按照特定的轨迹，直接制造出零部件的毛坯。这种技术可以高效地制造出零部件。最终成型的零部件可以保证内部质量，但是，对于外表面以及最终的成型状态较差，且无法应用于塑性较差的材料。

3 3D打印技术控制系统分析

3.1 光聚合成型技术的控制系统分析

最早的3D打印技术控制系统是光聚合成型控制系统，这种3D打印技术控制系统，起源于1980年，之后历经多年发展，如今已成为非常成熟并使用最普遍的3D打印技术。光聚合成形系统主要由两大核心技术构成，分别是立体光固化技术和ployjet多喷射技术，光聚合成形系统中最终的操控平台是由操作台升降控制系统和光敏树脂的液位测量与控制器共同组合而成的[4]。

在光聚合成型控制系统的应用初级阶段，使用光敏树脂液位进行监测与控制，从而帮助光聚合成型控制系统顺利运行。这种控制系统是通过电脑控制激光系统完成对焦，进行扫描，激光系统会依照预先设定好的路线，通过对阵振镜式进行逐层扫描。由于激光扫描系统无法扫描到液体形态的光敏树脂，因此，当无法扫描时，光敏树脂液位监测系统及控制系统将会下降，然后通过光敏树脂涂层系统为其进行一层一层的光敏树脂涂抹，对于一些黏性较大的光敏树脂来说，需要通过刮平器一点一点地将其刮平，然后通过激光扫描系统进行下一层的扫描，这样一层扫描完之后，将会裹上新的一层，最终构建形成一个三维立体模型，这个三维立体模型就是我们所需要制造的零部件。

3.2 激光粉末成型技术的控制系统分析

激光烧结技术也是带有选择性的，其核心是直接金属激光烧结技术和选择性的金属激光熔化成形技术，二者共同结合产生了选择性的金属激光烧结技术，因此，可以把金属激光的能量来源范围加以扩大，甚至可以在实际操作流程中选择金属粉末颗粒中的较小粒子，有助于提高激光粉末成形技术。激光粉末成型技术的控制系统是由成型缸升降系统与铺粉控制系统组合形成。打印最终零部件的粉末材料会通过铺粉系统来将其均匀地撒在升降系统上，然后利用加热系统加热，从而将这些粉末逐层压实。但是，在加热过程中，需要保证粉末面充分受热，确保在后续的打印过程中粉末的温度可以满足最终的打印温度要求。利用计算机技术控制激光扫描装置与振镜型扫描装置，确保二者的温度达到最佳打印温度。沿着二维轨迹运行的粉末材料进行扫描，并有选择性地烧结成固体，形成零件层。然后降低升降装置的温度，保障零件层最终成型。利用铺粉装置将粉末材料均匀地铺放在升降装置上，利用加热装置不断地对粉末进行挤压和加热，然后再对粉末进行扫描，形成一个新的零件层。将不同的零件层进行叠加，最终形成一个三维立体模型，即所需要打造的零部件。对于未达到参与烧结标准的粉末，回收到粉末缸之中，下次继续使用。这样做可节约自然资源，更加绿色环保。

4 3D打印技术的优点

3D打印技术用途广泛，对于一些无法使用传统的重型机器进行制造的精细化的细小零部件，如日常用的电视或电脑支架以及汽车的细小车架等，都可以使用3D打印技术完美打印出来，甚至对于一些大型的零部件，也可以使用大型3D打印机打印出来。因此，相较于传统的零部件制造方式来说，3D打印技术具有更大的优势。

利用3D打印技术制造的零部件更优于传统的零部件制造方法，只需要利用计算机技术，在电脑中描绘出三维的立体图像，就可以开始对零部件进行3D打印、制造，不仅节省了大量的人力、物力，还可以减少工人的工作时间，提高生产效率。应用3D打印技术可以降低资本投入，提高企业的利益，同时也减少了资源的浪费。因我国的大量铁矿石及重要矿产资源都依赖于进口，3D打印技术可以为国家节省大量的资金。相较于传统的零部件制造方式，3D打印技术可以生产出利用传统零部件制造方式无法生产的复杂零部件，人们可以高效率地借助计算机技术设计出大量的符合实际需求的零部件产品模型，然后进行打印制造[5]。

利用3D打印技术可以加快零部件的生产过程，在节省自然资源的同时，又可以快速地生产出符合标准的零部件产品，并且不会像传统的零部件制造方式那样产生大量的工业废料，有利于实现企业效益最大化。运用3D打印技术打印出的零部件产品精度更高，且价格低廉，可以提高企业的竞争力。相较于传统工业生产出的零部件，3D打印技术生产的零部件质量更轻，能满足人们对零部件产品的实际需求。相信在未来，随着3D打印技术的不断发展，未来的3D打印技术不仅局限于工业产品的打印，将更进一步进行生物打印，不仅可以还原历史面貌，也可以为一些病人打印出义肢，帮助他们健康生活。甚至可以通过3D打印技术，利用食物原料打印出食物。

3D打印技术不同于传统工人利用器械来加工零部件的工作方式，具有极高的灵活操作性与高效率性。利用3D打印技术打印出汽车的零部件，然后进行组装，甚至可以直接打造出一台可以真正行驶的汽车。3D打印技术应用于航天技术产业，可以打印制造航空起落架所需要的零部件。对于一些细小的零部件，利用3D打印技术可以很快地将其打造出来，节省了资金投入。