3D打印方法在機(jī)械加工制造中優(yōu)勢(shì)淺析

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摘要：本文從當(dāng)前3d打印成形方法和它在機(jī)械加工制造應(yīng)用優(yōu)勢(shì)等方面著手，對(duì)現(xiàn)有的成形3D打印成形方法進(jìn)行歸納總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)3D打印技術(shù)在機(jī)械制造加工領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行闡述，并指出3D打印技術(shù)應(yīng)該朝著功能化、高精度、高強(qiáng)度等方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：3D打??；成形方法；機(jī)械加工制造

0引言

3D打印作為近年來(lái)興起的新型成形加工技術(shù)，與傳統(tǒng)加工工藝相比，具有數(shù)字化、快速性、工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在機(jī)械加工制造領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1，2]，但該技術(shù)在材料選用、產(chǎn)品強(qiáng)度和剛度方面還存在不足[3]，影響該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，為了更好地厘清其發(fā)展方向，本文對(duì)當(dāng)前3D打印技術(shù)的主要成形方法進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)其在機(jī)械加工制造中的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行歸納，為該技術(shù)在機(jī)械制加工造領(lǐng)域更好的發(fā)展應(yīng)用提供思路。

13D打印成形方法

3D打印不同于傳統(tǒng)的切削、鑄造等制造工藝，而采用增材制造的方式，利用材料的離散堆積原理來(lái)成形產(chǎn)品，該方式具有數(shù)字化、速度快、成本低等特點(diǎn)[4-5]。目前，國(guó)內(nèi)外高校、科研院所對(duì)3D打印技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用展開(kāi)相關(guān)研究。為了對(duì)3D打印技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用有更明確的認(rèn)識(shí)，本文從3D打印技術(shù)成形方法和機(jī)械加工制造的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)等方面展開(kāi)論述，并對(duì)其進(jìn)行總結(jié)、展望，圖1為3D打印流程圖[4]。

1.1光固化成型方法（SLA）。光固化成形方法是一種常見(jiàn)的3D打印成形方法，它以光敏樹(shù)脂為原材料，通過(guò)激光器或光源發(fā)出光束對(duì)光敏樹(shù)脂進(jìn)行切片信息的路徑掃描，使光敏樹(shù)脂吸收能量，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而固化成形的一種工藝技術(shù)，該技術(shù)具有精度較高、成形速度快等特點(diǎn)[6]，但也存在設(shè)備昂貴和污染環(huán)境等問(wèn)題，且成形后一般需要二次固化才能更好地進(jìn)行生產(chǎn)應(yīng)用[4]。

1.2熔融沉積成形（FDM）。FDM成形技術(shù)是一種同步送料熔化成形工藝，最早由ScottC博士提出，它由伺服電機(jī)、送絲機(jī)構(gòu)、噴頭、原材料、支撐材料等部分組成[4]，通過(guò)加熱噴頭，使噴頭內(nèi)的材料加熱后融化，再以一定的壓力擠出至切片信息規(guī)劃好的路徑來(lái)成形，通過(guò)層層堆積、疊加，最終成形工件或產(chǎn)品。該技術(shù)具有成本低、清潔性好、后處理工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但也存在成形精度、表面質(zhì)量不高等問(wèn)題[7]。

1.3激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）。SLS燒結(jié)技術(shù)是將激光器作為能源，在已經(jīng)鋪好的粉末上面按照規(guī)劃路徑進(jìn)行掃描照射，使粉末達(dá)到融化點(diǎn)，進(jìn)行燒結(jié)并與下方成形部分實(shí)現(xiàn)粘結(jié)。當(dāng)成形后，工作臺(tái)面下降一定的高度重新按照切片信息進(jìn)行燒結(jié)成形。在燒結(jié)完成后去掉多余部分粉末，再進(jìn)行后續(xù)處理。該技術(shù)具有材料使用范圍廣、工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但也存在成形零件精度有限，成本較高，性能不太理想等缺點(diǎn)[8]。

1.4激光選區(qū)熔化（SLM）。SLM技術(shù)是德國(guó)首先提出，該方法是通過(guò)激光按照切片信息路徑在基板上熔化粉末材料，并將它們成形的技術(shù)，在成形后成形缸體和粉末缸體分別下降和上升一定的距離，鋪粉裝置再重新進(jìn)行鋪粉，進(jìn)入下一個(gè)成形循環(huán)，直至成形工件。該技術(shù)具有成形材料范圍廣、利用率高、成形精度較高、表面質(zhì)量較好等特點(diǎn)[9]。

1.5激光近凈成形（LENS）。LENS成形技術(shù)由美國(guó)最早進(jìn)行開(kāi)發(fā)，可對(duì)復(fù)雜零件進(jìn)行直接成形的技術(shù)。該技術(shù)集激光熔覆技術(shù)和快速成型技術(shù)為一體，對(duì)材料進(jìn)行成形。它具有成形時(shí)間短、速度快、成形相對(duì)柔性化、材料范圍廣等特點(diǎn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值[10]。

1.6電子束熔絲沉積（EBDM）。EBDM成形技術(shù)最早由NASA開(kāi)發(fā)，它是在真空環(huán)境中，通過(guò)電子束在金屬表面來(lái)形成熔池，在送絲機(jī)構(gòu)的工作下，將材料運(yùn)送到熔池處，按一定的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)成形工件。該技術(shù)具有材料利用率高、成形快等特點(diǎn)，但是也存在應(yīng)用環(huán)境受限、缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題[11]。

1.7三維立體打?。?DP）。三維立體打印技術(shù)最早由麻省理工CimaM.J.和ScansE.M.等人在1992年聯(lián)合研發(fā)，它是一種基于噴射液滴來(lái)成形的一種打印工藝，它是在脈沖信號(hào)控制電磁閥開(kāi)關(guān)的背景下，高壓氣體進(jìn)入噴頭腔體內(nèi)，瞬間擠壓出液滴，按照預(yù)定的路徑，噴射到成形基板的粉料上，通過(guò)層層堆積來(lái)打印成型產(chǎn)品。該技術(shù)具有無(wú)支撐、成形速度快等特點(diǎn)，但是打印出的產(chǎn)品強(qiáng)度、精度不高，不適宜用在一些高強(qiáng)度、高精度環(huán)境下[4，12]。

23D打印在機(jī)械加工領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

由于3D打印技術(shù)具有較高的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值、智能化制造等優(yōu)點(diǎn)，也具有快速用來(lái)對(duì)新產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證等功能優(yōu)勢(shì)，為該技術(shù)在機(jī)械加工制造領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了可靠保證[13-14]。

2.1智能化制造。在傳統(tǒng)的機(jī)械加工制造中一般先進(jìn)行毛坯件的鑄造，然后根據(jù)零件圖紙擬定加工工藝，再進(jìn)行相應(yīng)的加工制造，整個(gè)加工過(guò)程智能化水平較低。而3D打印則是智能化的制造過(guò)程，它首先根據(jù)建模軟件進(jìn)行建模，然后對(duì)零件模型進(jìn)行處理，并根據(jù)處理信息進(jìn)行打印成形，整個(gè)加工制造過(guò)程相較于傳統(tǒng)的機(jī)械切削加工方式，省去了毛坯、圖紙的制作、擬定加工工藝路線(xiàn)等步驟，而是直接根據(jù)計(jì)算機(jī)的處理的三維模型信息來(lái)打印成形零件，整個(gè)打印制造過(guò)程全程智能化。

2.2經(jīng)濟(jì)性好。在機(jī)械加工制造中，需要經(jīng)常用到異形件、不規(guī)則件等非標(biāo)準(zhǔn)件，這些零部件由于屬于非標(biāo)準(zhǔn)件，適用范圍和數(shù)量都較少，但又不可或缺。在傳統(tǒng)制造方式下，對(duì)于這類(lèi)型零部件只能進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)和加工制造，但這樣的加工制造方式需要耗費(fèi)大量的財(cái)力、物力和人力，經(jīng)濟(jì)性較差。而在3D打印制造過(guò)程中，在零部件在滿(mǎn)足強(qiáng)度和使用環(huán)境的前提下可直接用3D打印方法打印出相關(guān)零部件，應(yīng)用到機(jī)械產(chǎn)品中，這樣不僅能夠縮短零部件制造時(shí)間，而且能夠降低制造成本，提升經(jīng)濟(jì)性。

2.3材料利用率高。傳統(tǒng)的機(jī)械加工，一般是在較大的毛坯件上進(jìn)行切削掉多余部分來(lái)成形零部件，但這樣的加工制造方式會(huì)造成材料大量浪費(fèi)，材料利用率低。而3D打印成形零件的方法相比于傳統(tǒng)機(jī)械加工方式來(lái)說(shuō)，它采用增材制造的方式進(jìn)行零部件的制造，在這個(gè)過(guò)程中材料基本沒(méi)有浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了材料的最大化利用，提升了材料利用率。

2.4縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)驗(yàn)證周期。產(chǎn)品驗(yàn)證對(duì)于機(jī)械加工制造的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，有著至關(guān)重要的地位。在過(guò)去，傳統(tǒng)制造方式下，產(chǎn)品的驗(yàn)證周期比較長(zhǎng)，它不僅需要大量設(shè)計(jì)零部件，還需要對(duì)這些零部件進(jìn)行加工制造和組裝。在某些特殊情況下，一些新設(shè)計(jì)的特殊零部件，還需要新開(kāi)發(fā)模具進(jìn)行制造，在這種背景下，從設(shè)計(jì)到制造完成會(huì)產(chǎn)生較長(zhǎng)的等待周期，導(dǎo)致整個(gè)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程耗費(fèi)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不利于企業(yè)快速將新產(chǎn)品推向市場(chǎng)。而3D打印技術(shù)能夠迅速按照新產(chǎn)品的零部件模型，通過(guò)增材制造的方式快速制造出來(lái)，從而以最短的時(shí)間完成對(duì)新產(chǎn)品的組裝驗(yàn)證，大大縮短了新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)驗(yàn)證周期，為新產(chǎn)品快速推向市場(chǎng)提供了有力保證，圖2為美國(guó)LocalMotors公司耗費(fèi)44小時(shí)打印的汽車(chē)模型。

3結(jié)語(yǔ)

本文一方面通過(guò)對(duì)3D打印技術(shù)的成形方法進(jìn)行分析，對(duì)不同成形方法進(jìn)行對(duì)比總結(jié)，另一方面，針對(duì)3D打印技術(shù)在機(jī)械加工中的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行歸納，得出該技術(shù)具有智能化制造、經(jīng)濟(jì)性好、材料利用率高、縮短開(kāi)發(fā)周期等特點(diǎn)。相信，隨著3D打印技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)必將朝著功能化、高精度、高強(qiáng)度的方向發(fā)展，其應(yīng)用范圍必將越來(lái)越廣。

作者:蔣龍 姚曉彤 單位:山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院