3D打印技术研究现状和关键技术

3D打印技术研究现状和关键技术

许可欣

（南京师范大学江苏省南京市210046）

摘要：现阶段，3D打印技术的快速发展和进步，引起了全球范围内的普遍关注。3D打印技术成熟性迅速提升，其打印速度及准确性也随之持续提升，同时所需打印成本有所减少。所以说，相当一部分人觉得3D打印技术必然会引发“第三次工业革命”。

关键词：3D打印技术；研究现状；关键技术

一、3D打印技术的分类

1.1熔融沉积成形（FDM）

熔融沉积成形技术（FDM）技术是以丝状的PLA，ABS等热塑性材料为原料，通过加工头的加热挤压，在计算机的控制下逐层堆积，最终得到成形的立体零件。这种技术是目前最常见的3D打印技术，技术成熟度高，成本较低，可以进行彩色打印。

1.2光固化立体成形（SLA）

光固化立体成形技术（SLA）是利用紫外激光逐层扫描液态的光敏聚合物（如丙稀酸树脂、环氧树脂等），实现液态材料的固化，逐渐堆积成形的技术。这种技术可以制作结构复杂的零件，零件精度以及材料的利用率高，缺点是能用于成形的材料种类少，工艺成本高。

1.3分层实体制造（LoM）

分层实体制造技术（LDM）以薄片材料为原料，如纸、金属箔、塑料薄膜等，在材料表面涂覆热熔胶，再根据每层截面形状进行切割粘贴，实现零件的立体成形。这种技术速度较快，可以成形大尺寸的零件，但是材料浪费严重，表面质量差。

1.4电子束选区熔化（EBM）

电子束选区熔化成形技术（EBM）是在真空环境下以电子束为热源，以金属粉末为成形材料，通过不断在粉末床上铺展金属粉末然后用电子束扫描熔化，使一个个小的熔池相互熔合并凝固，这样不断进行形成一个完整的金属零件实体。

1.5激光选区熔化（SLM）

激光选区熔化成形技术（SLM）的原理与电子束选区熔化成形技术相似，也是一种基于粉末床的铺粉成形技术，只是热源由电子束换成了激光束，通过这种技术同样可以成形出结构复杂、性能优异、表面质量良好的金属零件，但目前这种技术无法成形出大尺寸的零件。

1.6金属激光熔融沉积（LDMD）

金属激光熔融沉积成形技术（LDMD）以激光束为热源，通过自动送粉装置将金属粉末同步、精确的送入激光在成形表面上所形成熔池中。随着激光斑点的移动，粉末不断地送入熔池中熔化然后凝固，最终得到所需要的形状。这种成形工艺可以成形大尺寸的金属零件，但是无法成形结构非常复杂的零件。

1.7电子束熔丝沉积成形（EBF）

电子束熔丝沉积成形技术又称电子束自由成形制造技术（EBF），是在真空环境中，以电子柬为热源，金属丝材为成形材料，通过送丝装置将金属丝送入熔池并按设定轨迹运动，直到制造出目标零件或毛坯。这种方法效率高，成形零件内部质量好，但是成形精度及表面质量差，且不适用于塑性较差的材料，因无法加工成丝材。

二、金属材料3D打印需要重点研究的技术问题

2.1提高3D打印粉末质量和收得率

粉末粒度（D50中位粒径）、球形度、流动性、夹杂、气体含量等影响打印件的质量。激光熔融沉积成形对粉末粒度的适应性较宽，从JI，N几十微米大到几百微米都可以应用，细粉末适合打印精细结构，粗粉末适合打印大尺寸和大加工余量的结构，但粉末粒度小于4Op．m时，送粉稳定性变差，不利于成形，而粉末粒度过大，需要采用大功率，过大的热输入将影响某些材料的力学性能。对于激光熔融沉积成形来说，采用粗粉末的打印效率要明显高于细粉末，节约打印时间，降低打印成本。激光和电子束选区熔化成形比较合适的粉末粒度为25～45m，粉末粒度过大或过小将会增加打印件的表面粗糙度和内部孔隙率。可见，打印零件时应根据打印方法不同、零件技术要求不同，来选择不同粒度的粉末。粉末球形度、流动性是影响3D打印制件的重要因素。粉末球形度不好，或者存在较高比例的“卫星粉”，会影响送粉和铺粉的稳定性，影响打印件的外观质量，增加内部缺陷，特别是在送粉时，球形度不好的粉末聚焦性差，粉末焦点分散，降低了粉末利用率，增加了形成缺陷的概率。粉末中的陶质夹杂物和2，N，H等气体，会在打印件内部形成高熔点夹杂和气孔。因此，应研究3D打印粉末制备技术，提高粉末质量，并应系统研究粉末质量与打印质量之间的因果关系，建立3D打印粉末分类和质量控制的统一标准。另外，粉末价格是影响3D打印件价格的重要因素，特别是钛合金细粉，价格居高不下，抬高了选区熔化打印件的价格，不利于该技术的推广应用。

2.2提高3D打印设备能力和开发过程监控系统

对于选区熔化3D打印设备，最有代表性的有德国EOS、美国OPTOMEC、瑞典ARCAM，目前中国同类型的自主知识产权设备还存在技术差距。选区熔化3D打印设备主要问题是：一是设备尺寸小，最大的设备也只能打印400mm×400mm×400mm的零件；二是效率较低，零件打印时间长，成本较高；三是表面粗糙度、尺寸精度还不十分理想。如精密铸造表面粗糙度可优于R3．2，甚至可以达到R1．6以下，而激光3D打印件目前最好水平为R6．4左右，一般在R10以上，电子束铺粉式3D打印表面在R2O～30左右。因此，需要提高选区熔化3D打印设备的精度，研究打印较大零件的设备，提高打印效率。

三、.3D打印技术在我国的现状研究

3.1我国已基本构建起以高校为核心的技术研发体系

在我国，像北京航空航天大学、西北工业大学、北京大学等高等院校陆续构建起了3D打印技术研究中心，这部分高校研发出的多种3D打印机均已达到了世界领先水平，并且成为了促进国内3D打印技术发展的坚实支撑。比如说，西北工业大学对金属材料激光净成形制造科技的研发；华中科技大学负责的塑性成块、快速成形的制造技术与设备、快速三维测量技艺及装置等多项研究技术；清华大学研发了利用ABS材料及蜡的FDM工艺，主要用于3D打印材料的研发。

3.23D打印技术产业化进程加快，并构建起小规模的产业市场

当前，借助各高校和科学研究所的3D打印技术的研究团队及其研究成果，并依靠有关3D打印技术研究机构，中国至今已经涌现出超过30家增材制造设备及服务企业。具体而言，如北京太尔时代科技有限公司独立研发了控制系统、机械系统、打印材料等拥有自主产权的3D打印机核心科技。按照我国3D打印技术产业联盟的数据统计，在2015年，中国的3D打印市场规模约为50亿美元，到去年差不多翻了一翻超过100亿美元，在今后几年里，我国的3D打印市场每一年均会以至少一倍的速度增长，规模不久便可以突破几百亿美元。

3.3总体水平迅速提升，金属3D打印技术位居全球领先地位

最近以来，3D打印技术被越来越多地运用到各个领域当中，所以，3D打印技术引起了国家及科研工作者的高度重视，中国的3D打印技术的总体水平持续增强。因为不少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，但是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，中国目前也成为了世界上第一个能够借助选择性激光烧结技术来研发制造大型金属零件的国度。比如说，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。

结束语

3D打印技术可以说是一场工业制造技术的革命，伴随着新材质、激光及其他先进科技的发展而发展，其应用领域越来越宽广。尽管我国此项技术能力和发达国家相比仍旧具有很大的差距，但在科研人员的长期努力下，必将会构建起更加健全的产业化体系，走入我们的日常生活中。

参考文献：

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[2]张学军，唐思熠，肇恒跃，郭绍庆，李能，孙兵兵，陈冰清.3D打印技术研究现状和关键技术.料工程，2016，（02）：122-128.

[3]江洪，康学萍．3D打印技术的发展分析．材料产业，2013，（10）：30—35．