3D打印金属零件及发展前景分析

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采用激光熔覆成型工艺的3D打印典型企业包括美国POM公司和OPTOMEC公司，中国 的北京航空航天大学天地激光公司、西北工业大学西安铂利特公司、沈阳新松机器人 自动化股份有限公司，电子束熔覆成型工艺3D打印典型企业包括美国的Sciaky公司、 中国的北京航空制造研究所（625所）。这类产品的主要优点是冶金质量好、成型速 度快、成型尺寸大，但精度较低，需后续机加工，典型应用是航空高强度结构件、叶 片制造、各种金属模具的直接成型。
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从3D打印的基本工艺来看，他每一层每一点的堆 积都是一个特殊过程，可控性差，和切削的机床 大有不同，机床每一刀下去都可控，这就是他们 将采用不同控制方式的根本原因。相比数控技术， 3D打印控制过程与焊接机器人系统更接近。 那么，模糊控制、实时调控将是3D打印控制 技术的重要特征，因此，确切来说我们的选择主 控方式应该选机器人，而不是机床，不管是6轴关 节还是3坐标，控制方式决定系统类型。因此，从 专业角度来看，“3D打印机器人”的称呼更适合 这个它，也符合它的发展方向。
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那么，3D打印如何实现的呢，上面我们谈到了“堆积”法，是的，3D打印技术就是逐层堆 积材料的方式，获得立体的实物。 首先，通过扫描仪或电脑制图软件获得需要打印物体的三维数据，然后将数据导入3D 打印机，用专用软件进行分层处理，每一层形成二维图形数据，然后专用软件根据每一层 的二维图形数据进行线扫描或点打印路径规划和自动编程，形成打印机识别的数控G码程 序，然后打印机启动这些程序，进行逐点逐线逐面打印，直到完成实物的成型。基本思路 就是先将虚拟数据离散化处理，然后将离散数据用打印机变成实体，技术路径分解描述如 下： 3D体数据--2D面数据--1D线数据--0D点数据--G代码--打印头扫描--0D点成型--1D线 成型--2D面成型--多层堆积3D立体成型。 一、金属3D打印技术应用及现状
金属3D打印技术应用现状及发展趋势分析
现在“3D打印”非常流行，是一个大家热议的词汇。我们先来认识一下3D打印，从字面来 看，它就是三维立体打印的意思。目前，我们熟悉的平面打印机只能在纸上打印文字或图 形，都没有高度，而3D打印可以打印一个立体的物品。所用的材料也可以选择，包括塑料、 尼龙、木质、砂子、树脂、金属等，尺寸可以与完全一致，也可以按比例打印，实现了从 设计图形数据直接生产实物的快速制造。举例来说，普通的平面打印机只能打印一个水杯 的照片，而3D打印机可以打印一个真实的水杯，可以拿这个水杯喝水。 虽然3D打印是新概念，但并不是一个新技术，因为从上世纪八 十年代开始，国内外各研究院所就已经开始研究，其专业术语 里称为“快速成型”或“快速制造”（英文简称RP）。现在也 To protect the confidential and proprietary information included in this material, it may not 有人称之为“增材制造”，这个说法是从 3D打印的特殊制造方 be disclosed or provided to any third parties without the approval of Hewitt Associates LLC. 式而提出来的。
二、智能机器人和复合技术将真正启动3D打印应用市场 虽然现在3D打印很热，有很多企业和政府也纷纷上马或推广3D打印项目，但真正 用3D打印做出产品的较少。这里面关键问题还是技术问题，打印速度和精度、打印精 度和强度等相互矛盾的技术指标困扰着制造商和最终用户，当然还有操作专业性强、 原材料昂贵等问题，最终让他们保持观望态度。 在现阶段技术条件下，3D打印的智能化及复合兼容技术非常有效地解决目前存 在的弊端，大幅提升3D的性能。
1、材料总体利用率高； 2、无需开模，制造工序少，周期短； 3、可制造复杂结构的零件，如内部随形流道； 4、根据力学性能要求自由设计，不用考虑制造工艺。
就目前3D打印实现方式分析，主流的打印效率大约是0.1~2公斤/小时，其打印速度不高， 通常用于单件或小批量零件的快速制造，免去开模费用和时间。虽然3D打印不适合于批量 生产，但可以制造用于批量生产的各种模具的快速制造。
最初3D打印技术的主要应用是原型制造，将设计三维模型转化为实物，进行设计结构 的验证，这种3D打印零件属于“非功能性的模型”，使用的材料主要是纸张、塑料和胶水； 随着3D打印技术的成熟，近几年国内外很多机构开始尝试直接打印零件，即3D打印带有功 能性的实物零件，使用的材料包括金属、高分子和陶瓷材料等。从技术难度上分析，功能 性的实物制造比模型制造更难，一方面因为实物制造增加了对内部缺陷的要求；另一方面 因为金属等材料的成型温度更高（熔化温度比塑料高约10倍），耐高温的打印头设计更复 杂，而且凝固时产生很大的内应力，容易出现开裂、变形、气孔等现象，成型工艺比较复 杂。
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1、3D打印控制方式智能化 目前国内外大部分3D都采用“盲”打工艺，需总结大量的工艺数据，成型工艺非常复 杂，往往每一种形状零件、每一种材料都需要不断的试验，几乎每一层都需要总结出工艺 参数。而且当成型过程中出现异常时，系统无法识别，也不能自动调整，如果不去人工干 预，将造成无法继续成型或将缺陷留在工件里，必须由经验丰富的专业技术人员操作机器 随时观察成型状态才能做出较合格的零件，严重影响了金属3D打印的普及性。 因此，笔者认为3D打印机智能化非常重要，像人一样，给3D打印机装上“眼睛”是非 常必要的，通过看外在物体状态随时调整人的姿态和行为，对于3D打印机来说，就是调整 工艺参数。 因此，“智能识别和反馈功能”将是目前快速成型系统的 迫切需要解决的问题，通过较简便的工艺参数积累，让3D 打印设备自己去判断，智能调整即可，让复杂的快速成型 工艺变简单，更具有实用性和推广性。智能识别系统将提 供大量成型过程的数据，希望通过实践积累大量数据，让 3D打印机变更“聪明”，最终通过软件的开发让3D打印机 具备自学习功能，这样的思路也就确确实实是3D打印系统 需要具备的特征，同时也符合了机器人的特征。
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目前，日本松浦机械和美国Fabrisonic公司已经开始尝试将铣削技术和3D打印技术融 合，国内的沈阳新松机器人自动化股份有限公司也已经开始进行3D打印复合技术开发，实 现了随型流道注塑模具、叶片、螺旋桨及其它复杂零部件的快速制造。
三、3D打印的“工业革命”需要创新 对于3D打印，大家褒贬不一，乐观者认为：3D打印技术的使用意味着一场变革，将给 未来的制造业、社会生产模式与人类生活方式带来的深刻影响和变革，3D打印将颠覆传统 制造业；消极者认为：3D打印存在很多问题，不会有什么前途，也根本不可能对传统产业 造成影响。 这两种态度都有道理，变革的观点是因为3D打印符合了工业发展的规律，是对3D打印 思路的认可；反对的观点是说明了目前3D打印存在实用性问题。 因此，我们将积极地、公正地来看待3D打印。
确实，增材制造与传统的制造存在很大的区别。例如：传统制造技术一般都是通过下料或 制造辅助的模具来形成毛坯件，然后再进行大量的后续机械切削加工，最终满足实用的尺 寸要求。从各种型材坯料或铸锻毛坯件到成品，会采用各式各样的加工手段，但基本原理 都一样--去除材料以获得尺寸要求，称为“减材制造”。而3D打印采用不同的工艺，即采 用增材堆积的措施，根据最终尺寸要求在一块基板上进行材料的堆积，堆积成型的零件直 接使用，或者成型零件的表面进行微量加工，提高表面光洁度后即可使用。相比传统制造 工艺，3D打印具有很多优势，包括：
3D print
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我们从现有3D打印技术来看，它的很多问题确实需要改进，否则就像消极者所说的没有前 途。当然，我们上面也分析了，智能化和复合技术将解决一些问题，当前看来会有很大突 破，但从长远发展来看，3D打印方式必须革新，包括打印的材料、打印头的工作方式、打 印控制技术等等。 3D打印是一个新的数字化制造技术，它的发展将给我们的生活方式和工作方式带来变 化，但它在一定时间内必定会继承现有技术，它是传统工业的有益补充。随着科技发展， 尤其交叉科学的应用，会给3D打印技术带来巨大突破，也会发展成制造业的主角。将来真 正做到简易操作、高效、高精度、低成本，3D打印就会带来“工业革命”！
2、增减材复合技术获得高速高分辨率3D打印产品 对于高性能的金属构件，3D打印直接成型的光洁度和精度不能满足要求，尤其配合位 置无法保证精度，不能装机使用，成型精度问题限制了3D打印的推广和应用。
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Development prospects of 3D printing
• 为了提高3D打印零件的成型精度，常规的 方法是减小3D打印点的尺寸，提高分辨率 ，比如提高激光束的汇聚性，让熔化区域 变更小，单个熔化区域尺寸达到微米级， 但同时给超细材料的供给带来很大难度， 同时熔化区的变小会带来成型速度大幅降 低，效率的降低不适于工业领域应用。总 之，常规思路的3D打印是：
• 高速3D打印获得低分辨率产品，低速3D打 印获得高分辨率产品。
• 具体来说，就是将传统铣削机床技术加入 到3D打印成型过程中，仍然采用低分辨率 的打印工艺，可保证高速成型工艺，然后 用铣削的措施来保证成型精度，最终成型 精度零件使用的技术标准。
• 那么，我们单从一个新技术发展特性来看 ，新技术对老技术的兼容和继承性非常重 要，也是必须的，否则就是空中楼阁。显 然，3D也须符合这个发展规律，增材制造 结合切削减材制造技术，二者高度兼容才 能让3D打印快速发展。