劉 偉

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710300）

3D打印技術(shù)具有制造復(fù)雜物品不增加成本，產(chǎn)品多樣化不增加成本，精確實(shí)體復(fù)制，現(xiàn)場(chǎng)制造，零時(shí)間交付，零技能制造，設(shè)計(jì)空間無(wú)限，材料無(wú)限組合，操作自動(dòng)快捷、精確可控等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。

3D打印技術(shù)已成為高新制造業(yè)的核心技術(shù)。3D打印“金屬熔滴沉積技術(shù)”，無(wú)需價(jià)格昂貴的激光系統(tǒng)，運(yùn)行費(fèi)用很低，可靠性高，已應(yīng)用于制造復(fù)雜原型及快速制模，是一種前景廣闊的金屬產(chǎn)品高效制造技術(shù)。3D打印技術(shù)用一道工序可以完成傳統(tǒng)成形方法中多道工序才能完成的部件制造，即可以打印出一個(gè)無(wú)論多復(fù)雜的部件來(lái)替代現(xiàn)在的若干個(gè)部件組合才能實(shí)現(xiàn)的功能。通過(guò)控制熔滴速率與掃描速度便可調(diào)節(jié)成形件的精度與速度的取舍?？蓪?shí)現(xiàn)多種材料同時(shí)成形，完成不同材料結(jié)合的零件打印[4-5]。

1 熔滴沉積3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

熔滴沉積3D打印技術(shù)最初是在20世紀(jì)九十年代初由美國(guó)麻省理工學(xué)院(MI1)和加州大學(xué)(UCI)首先提出的，是將噴墨打印技術(shù)的思想應(yīng)用到制造領(lǐng)域而開發(fā)的一種新型快速成型技術(shù)?，F(xiàn)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究。國(guó)外主要有加州大學(xué)Melissa等用鋁滴沉積得到的制件比純鋁塊抗拉強(qiáng)度提高30%，硬度提高100%。國(guó)內(nèi)主要有西北工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)等對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行了多年的探索。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)，制造出了壁厚為400 μm的微型薄壁結(jié)構(gòu)。

以上研究工作表明運(yùn)用微液滴沉積的制造方法成型微型薄壁金屬零件是可行的。

目前,研究者對(duì)該技術(shù)的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)設(shè)備的研制，以及通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬尋求工藝參數(shù)對(duì)成型質(zhì)量、成型速率的影響。Haferl等人利用均勻熔滴發(fā)生裝置得到直徑100 μm的Sn63%Pb37%熔滴，并第一次對(duì)熔融熔滴與已固化熔滴碰撞過(guò)程的瞬時(shí)流體動(dòng)力學(xué)、潤(rùn)濕性和凝固等問(wèn)題開展實(shí)驗(yàn)研究[6-10]。

國(guó)內(nèi)一些高校和科研機(jī)構(gòu)[11-13]也對(duì)熔滴沉積增材制造技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)高勝東[14]等人研制了熔滴沉積增材制造的實(shí)驗(yàn)裝置。

清華大學(xué)顏永年[15]等人以水為材料，使其在低溫環(huán)境中凝固成冰制成熔模冰型，研究了臨界凝固時(shí)間、噴射流量等工藝參數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題，成功制造出了螺旋管、軸承座、連桿的冰型，并且有較高的表面精度。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)高深[16]等人研制了八噴頭的組合溶液噴射合成儀，以組合的方法篩選新材料，以溶液噴射的方法在11×11（mm）陳列微孔的陶瓷基片上合成硅酸鹽長(zhǎng)余輝熒光材料樣品庫(kù)，通過(guò)對(duì)樣品庫(kù)中各個(gè)樣品的光譜分析，很容易找出最佳長(zhǎng)余輝材料要求的各種物質(zhì)的比例，大大加快了新材料的篩選過(guò)程。

2 熔滴沉積3D打印技術(shù)原理

熔滴沉積制造技術(shù)是一種新型3D打印成形技術(shù)，它是利用零件CAD信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制均勻熔滴的產(chǎn)生,逐點(diǎn)、逐層沉積到基板上制造出三維微小零件的一種增材制造技術(shù)（如圖1所示）。該技術(shù)可直接成形復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，減少了傳統(tǒng)工藝在零件設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中的約束條件，已成為無(wú)約束成形技術(shù)的一個(gè)新發(fā)展方向[17]。

圖1 熔滴沉積原理

熔滴沉積成形技術(shù)的理論加工過(guò)程如圖2所示。首先在計(jì)算機(jī)中生成零件的三維CAD模型，然后將模型按一定的厚度切片分層，將零件的三維信息轉(zhuǎn)換成一系列二維輪廓信息，用坩堝將金屬融化，從噴嘴流出形成的熔滴，然后在計(jì)算機(jī)的控制下，使其按照二維輪廓信息逐層堆積，得到三維實(shí)體零件或近形件。

圖2 微滴沉積微型薄壁結(jié)構(gòu)

該技術(shù)具有制造柔性化程度高，省去了設(shè)計(jì)和加工模具的時(shí)間和費(fèi)用，產(chǎn)品研制周期短、加工速度快；全部設(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)上完成，實(shí)際的制造過(guò)程也在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行，真正實(shí)現(xiàn)制造的數(shù)字化、智能化和無(wú)紙化等優(yōu)點(diǎn)。

3 3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)的有機(jī)結(jié)合

3D打印與傳統(tǒng)制造業(yè)的模具制造、澆注、加工等工藝流程融為一體，可以縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)材料的廢棄率，促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的提升和生產(chǎn)效率的提高。對(duì)于有些工藝，3D打印技術(shù)則可以取代傳統(tǒng)制造技術(shù)，例如飛機(jī)、核電（具體對(duì)比如表1所示）和火電等行業(yè)所使用的重型機(jī)械、高端精密機(jī)械裝備，傳統(tǒng)的焊接和零件加固的方法使得部件之間的連接并不牢固，但是使用3D打印技術(shù)，生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品是自然無(wú)縫連接，結(jié)構(gòu)之間的穩(wěn)固性和連接強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法。因此，該技術(shù)在大型高端裝備制造方面應(yīng)用前景非常廣闊。而對(duì)于形狀復(fù)雜的電力金具而言,部分零件使用傳統(tǒng)的方法制造,已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年甚至幾百年,其技術(shù)已經(jīng)很成熟,但是中間的連接部分可以采用3D打印技術(shù),實(shí)現(xiàn)了3D打印與傳統(tǒng)制造有機(jī)合成技術(shù),形成一條自動(dòng)化生產(chǎn)線,可帶來(lái)設(shè)計(jì)理念的改變。過(guò)去因傳統(tǒng)加工方式的約束,而無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜產(chǎn)品制造變?yōu)榭赡?可以大大提高零部件的集成度,簡(jiǎn)化產(chǎn)品設(shè)計(jì),是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)所在[18-20]。

表1 傳統(tǒng)技術(shù)與3D打印技術(shù)制造某核電站蒸汽發(fā)生器（質(zhì)量50 t）的區(qū)別

4 結(jié)束語(yǔ)

熔滴沉積3D打印技術(shù)作為整個(gè)3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。隨著科技發(fā)展及推廣應(yīng)用的需求，3D打印與傳統(tǒng)制造業(yè)的模具制造、澆注、加工等工藝流程融為一體，可以縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)材料的廢棄率，促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的提升和生產(chǎn)效率的提高。利用快速成型直接制造金屬功能零件成為了快速成型主要的發(fā)展方向。

[1]黃衛(wèi)東，林鑫.激光立體成形高性能金屬零件研究進(jìn)展[J].中國(guó)材料進(jìn)展, 2010, 29(6): 14-29.

[2]張安峰，李滌塵，盧秉恒.激光直接金屬快速成形技術(shù)的研究進(jìn)展[J].2007.

[3]鎖紅波.揭開電子束快速成形技術(shù)的神秘面紗[N].中國(guó)航空?qǐng)?bào),2013.

[4]黃秋實(shí)，李良琦，高彬彬.國(guó)外金屬零部件增材制造技術(shù)發(fā)展概述[J].國(guó)防制造技術(shù),2012 (5).

[5]陳君，張群莉，姚建華，等.金屬材料的激光吸收率研究[J].應(yīng)用光學(xué),2008,29(5):793-798.

[6]蔣小珊，齊樂(lè)華，羅俊，等.金屬微滴產(chǎn)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)機(jī)械工程, 2009 (15): 1775-1778.

[7]Yan-pu Chao et al.Manufacturing of micro thin-walled metal parts by micro-droplet deposition[J].Journal of Materials Processing Technology.2012 (212): 484–491.

[8]Qi Lehua, Jiang Xiaoshan, Luo Jun, Hou Xianghui.Dominant Factors of Metal Jet Breakup in Micro Droplet Deposition Manufacturing Technique[J].Chinese Journal of Aeronautics, 2010, 23(4): 495-500.

[9]肖淵，齊樂(lè)華，羅俊，等.金屬微滴形成過(guò)程圖像采集及關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2012, 31(010): 1564-1568.

[10]齊樂(lè)華，蔣小珊，羅俊，等.微滴沉積制造金屬射流斷裂狀態(tài)的影響因素研究(英文)[J].Chinese Journal of Aeronautics, 2010(4):015.

[11]楊毅，齊樂(lè)華，曾祥輝，等.熔滴噴射沉積制造中重熔過(guò)程的研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 44(008): 117-121.

[12]何禮君，張少明，張曙光，等.金屬射流受激斷裂的實(shí)驗(yàn)研究[J].稀有金屬, 2004,28(1): 117-122.

[13]毛靖儒,俞茂錚,陳慶祝,等.運(yùn)動(dòng)液滴撞擊材料表面實(shí)驗(yàn)裝置的研制和實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)的研究[J].試驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī),1991,32(2): 23-29.

[14]高勝東,姚英學(xué),崔成松,等.金屬均勻液滴束流技術(shù)的應(yīng)[J].材料導(dǎo)報(bào)，2006,2（1）：95-98.

[15]吳任東，魏大忠，顏永年,等.三維數(shù)字微滴噴射成形技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].新技術(shù)新工藝,2004(2):35-39.

[16]高深，黃孫徉，陳雷，等.液滴噴射技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展[J].無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào),2004, 7(4):714-722.

[17]ZHANG Shu-guang, HE Li-jun, ZHU Xue-xin.Capillary wave formation on excited solder jet and fabrication of lead-free solder ball[C].Trans.Nonferrous Met.Soc.China.2005, 15(5): 997-1002.

[18]Hsuan-Chung Wu, Huey-Jiuan Lin, Weng-Sing Hwang.A numerical study of the effect of operating parameters on drop formation in a squeeze mode inkjet device[J].MODELLING AND SIMULATION IN MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING,2005(13): 17-34.

[19]T.W.Shield, D.B.Bogy, F.E.Talke.Drop formation by DOD ink一et nozzles: A comparison of experiment and numerical simulation[C].IBM 1.RES.DEVELOP, 1987, 31(1):96-110.

[20]V Butty，D.Poulikakos, J.Giannakouros.Three-dimensional presolidification heat transfer and fluid dynamics in molten microdroplet deposition[J].International Journal of Heat and Fluid Flow, 2002(23): 234-241.