金属零件3D打印技术的应用研究

【摘 要】随着科技的日新月异发展，各种高精尖技术的研发与应用对人们的生活生产产生了重大改变，极大地便利了人们的工作与生活。3D打印技术能够打印出传统打印技术难以打印的物件，其中金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中的前沿技术，有着极其客观的发展前景。基于此，文章将针对金属零件3D打印技术的发展及其实际应用进行探究，以期为相关从业者提供参考借鉴。

【关键词】金属零件；3D打印技术；应用

中图分类号： TH16 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）06-0045-002

【Abstract】With the rapid development of science and technology，the development and application of a variety of sophisticated technologies has brought about major changes in people"s lives and production，which has greatly facilitated people"s work and life.3D printing technology can print objects that are difficult to print with traditional printing technologies.Among them，3D printing technology for metal parts has a very objective development prospect as the leading edge technology in the entire 3D printing system.Based on this，the article will explore the development of metal parts 3D printing technology and its practical application，in order to provide reference for related practitioners.

【Key words】Metal parts；3D printing technology；Application

随着科学技术的高速发展，各种高精尖技术的研发问世与投入使用层出不穷，其中3D打印技术凭借其强大的技术能力，在现代化的制造业中获得了发展空间，并逐步成为了现代制造业不可缺失的重要生产力[1]。随着3D打印技术的发展深入与逐步普及，过去习以为常的生活生产方式势必会有所颠覆，作为前景无限的高新制造技术，其在金属零件的制造过程中同样展现出了促进推动的效果，凭借3D打印技术的快速成型优势，应用3D打印技术的金属零件制造业也逐渐向快速成型方向迈进。

1 金属零件3D打印技术的产生

要探析金属零件3D打印技术的产生，首先要对3D打印技术有所了解，同普通的打印技术相比，3D打印技术预期基本原理相同，然而所放入打印机中需要打印动的原材料有所不同，普通打印技术是在打印机中放入纸张、油墨等，而3D打印技术则是在打印机中放入金属、陶瓷、塑料等，是构成所需制造物件的真正原材料，在计算机技术的辅助下，通过层层堆叠进而实现对物件的制造[2]。由于金属零件有着复杂结构，且体积较小，而人工制造这类精密零件存在较高难度，因此可利用金属零件3D打印技术对该问题予以解决。随着近年来3D打印技术的发展成熟，各项技术难关被逐一攻破，使得3D打印技术在不同行业领域中的应用有了极高可能性，而金属零件3D打印技术便是其中的典型实例，其研发到投入生产使用，大幅推进了人们的生活与工业生产。

2 金属零件3D打印技术的发展

2.1 激光工程化净成型技术

该技术特点为：对结构较为复杂的金属功能零件与相关模具展开直接性的制造；能够加工的金属或者合金材料可选范围大，同时能够制造异质同体材料零件；可对熔点高、加工难度大的材料进行加工。在该技术系统当中，主要由送粉器、送粉头以及保护气路三大结构组成。其中，金属粉末的流速由步进电机的转速决定，为了提升粉末的流动速度，则需要将送粉器设置在2.5米的高度之上。？由送粉器送出的金属粉末会被均匀地划分为4份而进入粉头，由粉头对准激光聚焦点处进行喷射，进而逐步完成整个熔化堆积[3]。

2.2 激光选区熔化技术

该技术基本原理为：首先通过三维造型软件对所需零件的三维模型进行设计，之后用切片软件对其进行分层，得出各截面数据，进而填充扫描路径，而制造设备便可结合扫描线去进行逐步填充，对激光束的选区进行精细化地控制，将各个层次的金属粉末材料展开熔化，之后便一步步堆积成3D金属零件[4]。在具体的成型过程中，需要将金属粉末均匀平铺在基板上，然后便可激光束结合指定层的填充扫描线，对基板上的粉末展开选区熔化，进而完成该层的全部加工，設备便会自动调出下一层数据继续进行加工。

2.3 电子束选区熔化技术

该技术在加工过程中所应用的热源主要是是高能电子束，通过对磁偏转线圈展开操作而达到扫描成型的目的，加之电子束为真空环境，所以金属粉末在堆积过程中可避免被氧化。该技术工作原理为：将金属粉末摊铺在铺粉平面上且压实处理，之后用计算机控制电子束对金属粉末按照轮廓数据信息进行选择性的熔化或烧结，通过层层堆积，直到整个金属零件完全熔化或烧结完成。

段落修改

3 金属零件3D打印技术的应用研究

现如今，与金属零件制造相关的3D打印技术尚处于发展阶段，但在这一阶段依旧有许多较为先进的技术诞生，不同类型的金属零件3D打印技术在特征与优势方面有着相异表现，在具体选择应用过程中，需结合金属零件的实际制造情况。因此，下文笔者将选择现今技术发展相对成熟的技术对金属零件3D打印技术的应用情况展开研究。

3.1 EBSM技术（电子束选区熔化技术）的应用

EBSM技术是一种20世纪90年代研发并逐步得以发展的金属零件3D打印技术，其制作成型的技术原理与DMLS/SLM技术相类似，区别就在于所使用的热源存在差异。传统的DMLS/SLM技术所使用的热源为激光能量，而EBSM使用的技术工艺有着显著差别。除此之外，EBSM工艺在能量利用方面有着极高效率，并且还具备无发射、聚焦便捷等优点，再加上与3D打印技术相结合之后，EBSM技术凭借其特有的技术优势，能够将金属零件直接制作成型，从而受到了业内人士的热切关注。通过研究实践发现，在电子束选区的熔化工艺当中，电子束的加速电压、扫描线、扫描速度这三者存在一定的线性关系，也即表明在适度调节扫描路径及搭接率之后，能够保证金属零件获得较高质量。在对试件的硬度拉升展开实验的过程中能够明显看出，采用EBSM技术去成型金属零件时，AI元素虽然损失会比较大，但其硬度与熔积高度并没有直接联系，并且金属零件的硬度会比退火轧制板还要高。

3.2 LENS技術（激光工程化净成型技术）的应用

LENS技术是SLS技术与LCF技术的两者结合基础上得以发展的，该技术的优势就在于其加工成型适用大多数金属材料，结合不同的金属粉末形式去合理选择激光功率，达到最佳融化效果，之后严格按照所设置的轨迹，在基板上分层沉积，最后所制造出的金属零件有着良好的力学性能，不需要后续打磨加工便有着细致组织。早在上世纪末，LENS技术的概念便已提出，随着国外专业研究机构对其研究的不断深化，通过运用该项技术对奥氏体不锈钢试件进行制造时，察觉到加工层数与试件硬度存在一定的反比关系。与此同时，有国外研究机构采用LENS技术去制造载重植入体的多孔与功能梯度结构，并且制造研究选择了与人体相容性较高的合金，诸如钛（Ti）、镍（Ni）等，通过对研究结果进行分析发现，成品植入的使用寿命能够达到7年以上，孔隙率最低超过70%。国内对于该项的研究应用也取得了不错的进展，比如将该技术应用到了网络铁基金属玻璃组件的制造过程当中，有效将其显微下硬度提升到了9.61GPa。

3.3 SLM技术（激光选区熔化技术）的应用

SLM技术是一种金属粉末快速成型技术，其工艺流程要比与其相似的SLS技术更为简单，并且该技术的应用所加入的金属材料通常会选用镍基合金、贵金属以及不锈钢等成分组成较为单一的金属粉末，通过激光束（能力密度110W/cm2）将所加金属粉末快速且完全地融化，在预期设计下便能够将其凝固成想要的零件形状。采用SLM技术所加工形成的金属零件，有着极为优良的致密性，因此可将其应用至航空航天、军事武装、珠宝加工等高精尖行业，在工业界有着极为可观的发展前景。然而，在现阶段由于受到多方面因素的制约，诸如材料属性、成型环境以及制造设备等，导致最终制造成型的金属零件容易出现不良缺陷特征。因此，国内外相关研究机构对出现此类现象的原因进行了分析总结，并对SLM技术的应用工艺进行了深入地改进与完善，由于该项技术在具体应用当中会对激光功率、扫描间距及速度、基板粉末厚度等一系列参数进行设置，所以在研究过程中通过不断组合各项参数设置，从中发现这对金属零件的成型质量影响并不大。而通过对出现缺陷的金属零件的形状进行观察发现，大多表现为球化与翘曲变形，其中出现球化的关键因素在于金属粉末未能完全融化，而由于受到表面张力作用，未完全融化的金属液体则会有所翻卷，呈现球状，最终制成的金属零件便会存在球化缺陷，经过后续的不断优化实验得知，唯有在融化金属粉末的过程中加大能量的输入，才能够有效避免球化缺陷的产生；倘若输送能量过高，便会导致热应力超出金属粉末的承载强度极限，那么在后续的塑形环节便会产生变形，然而原因即便找出，但由于国内外目前对该热应力的评估职能采取有限元的方法，通过模拟实验校验进行评估。

4 结束语

综上所述，相较于国外发达国家已经发展极为成熟且先进的金属零件3D打印技术而言，我国目前在这方面的应用尚处于初级阶段，并且在金属零件的制造市场尚未广泛应用，除去专业研究的技术人员外，相关领域的负责人对该项技术尚处于一知半解状态。为有效改变这一状况，能够研发出具有自主知识产权的金属零件3D打印技术，则离不开国家与政府的支持，更离不开大规模的生产实践与技术人员的努力。相信在不久的将来，随着我国对3D打印技术的研究深入，势必会在今后的生产制造中得到广泛应用，进而全面助推我国制造业的稳健发展。

【参考文献】

[1]彭湘， 杨芳， 伍浩. 基于金属零件3D打印技术的应用研究[J].电子制作， 2016（9x）：35-35.

[2]王庆辉，孟凡荣.金属零件3D打印技术的研究[J].信息记录材料，2017，18（8）：35-36.

[3]樊鹏.金属零件3D打印技术现状及应用[C]//.全国地方机械工程学会学术年会暨海峡两岸机械科技学术论坛.2017.

[4]杨永强，刘洋，宋长辉.金属零件3D打印技术现状及研究进展[J].机电工程技术，2013（4）：1-7.

[5]杨德建，刘仁洪.大型复杂金属零件3D打印技术及研究进展[J].兵工自动化，2017，36（2）：8-12.

推荐访问:零件 金属 打印 研究 技术