浅析3D打印成形方法及在机械加工制造中的优势

蒋龙 姚晓彤

摘要：本文从当前3D打印成形方法和它在机械加工制造应用优势等方面着手，对现有的成形3D打印成形方法进行归纳总结，并在此基础上对3D打印技术在机械制造加工领域的优势进行阐述，并指出3D打印技术应该朝着功能化、高精度、高强度等方向发展。

Abstract： The current 3D printing forming method and its advantages in mechanical processing are presented in this paper. The existing 3D printing forming methods are summarized in the field of machinery manufacturing processing. Furthermore， 3D printing technology should be development in the direction of functional， high precision and high strength.

关键词：3D打印;成形方法;机械加工制造

Key words： 3D printing;forming method;machining and manufacturing

中图分类号：TH164                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）23-0112-02

0  引言

3D打印作为近年来兴起的新型成形加工技术，与传统加工工艺相比，具有数字化、快速性、工艺简单等特点，在机械加工制造领域有着广阔的应用前景[1，2]，但该技术在材料选用、产品强度和刚度方面还存在不足[3]，影响该技术的进一步发展。因此，为了更好地厘清其发展方向，本文对当前3D打印技术的主要成形方法进行总结，并对其在机械加工制造中的优势进行归纳，为该技术在机械制加工造领域更好的发展应用提供思路。

1  3D打印成形方法

3D打印不同于传统的切削、铸造等制造工艺，而采用增材制造的方式，利用材料的离散堆积原理来成形产品，该方式具有数字化、速度快、成本低等特点[4-5]。目前，国内外高校、科研院所对3D打印技术的开发和应用展开相关研究。为了对3D打印技术的发展和应用有更明确的认识，本文从3D打印技术成形方法和机械加工制造的应用优势等方面展开论述，并对其进行总结、展望，图1为3D打印流程图[4]。

1.1 光固化成型方法（SLA）

光固化成形方法是一種常见的3D打印成形方法，它以光敏树脂为原材料，通过激光器或光源发出光束对光敏树脂进行切片信息的路径扫描，使光敏树脂吸收能量，产生化学反应而固化成形的一种工艺技术，该技术具有精度较高、成形速度快等特点[6]，但也存在设备昂贵和污染环境等问题，且成形后一般需要二次固化才能更好地进行生产应用[4]。

1.2 熔融沉积成形（FDM）

FDM成形技术是一种同步送料熔化成形工艺，最早由Scott C博士提出，它由伺服电机、送丝机构、喷头、原材料、支撑材料等部分组成[4]，通过加热喷头，使喷头内的材料加热后融化，再以一定的压力挤出至切片信息规划好的路径来成形，通过层层堆积、叠加，最终成形工件或产品。该技术具有成本低、清洁性好、后处理工艺简单等特点，但也存在成形精度、表面质量不高等问题[7]。

1.3 激光选区烧结（SLS）

SLS烧结技术是将激光器作为能源，在已经铺好的粉末上面按照规划路径进行扫描照射，使粉末达到融化点，进行烧结并与下方成形部分实现粘结。当成形后，工作台面下降一定的高度重新按照切片信息进行烧结成形。在烧结完成后去掉多余部分粉末，再进行后续处理。该技术具有材料使用范围广、工艺简单等特点，但也存在成形零件精度有限，成本较高，性能不太理想等缺点[8]。

1.4 激光选区熔化（SLM）

SLM技术是德国首先提出，该方法是通过激光按照切片信息路径在基板上熔化粉末材料，并将它们成形的技术，在成形后成形缸体和粉末缸体分别下降和上升一定的距离，铺粉装置再重新进行铺粉，进入下一个成形循环，直至成形工件。该技术具有成形材料范围广、利用率高、成形精度较高、表面质量较好等特点[9]。

1.5 激光近净成形（LENS）

LENS成形技术由美国最早进行开发，可对复杂零件进行直接成形的技术。该技术集激光熔覆技术和快速成型技术为一体，对材料进行成形。它具有成形时间短、速度快、成形相对柔性化、材料范围广等特点，具有较高的应用价值[10]。

1.6 电子束熔丝沉积（EBDM）

EBDM成形技术最早由NASA开发，它是在真空环境中，通过电子束在金属表面来形成熔池，在送丝机构的工作下，将材料运送到熔池处，按一定的运动轨迹来成形工件。该技术具有材料利用率高、成形快等特点，但是也存在应用环境受限、缺乏相关标准等问题[11]。

1.7 三维立体打印（3DP）

三维立体打印技术最早由麻省理工Cima M.J.和Scans E.M.等人在1992年联合研发，它是一种基于喷射液滴来成形的一种打印工艺，它是在脉冲信号控制电磁阀开关的背景下，高压气体进入喷头腔体内，瞬间挤压出液滴，按照预定的路径，喷射到成形基板的粉料上，通过层层堆积来打印成型产品。该技术具有无支撑、成形速度快等特点，但是打印出的产品强度、精度不高，不适宜用在一些高强度、高精度环境下[4，12]。

2  3D打印在机械加工领域的应用优势

由于3D打印技术具有较高的商业应用价值、智能化制造等优点，也具有快速用来对新产品进行设计验证等功能优势，为该技术在机械加工制造领域中的应用提供了可靠保证[13-14]。

2.1 智能化制造

在传统的机械加工制造中一般先进行毛坯件的铸造，然后根据零件图纸拟定加工工艺，再进行相应的加工制造，整个加工过程智能化水平较低。而3D打印则是智能化的制造过程，它首先根据建模软件进行建模，然后对零件模型进行处理，并根据处理信息进行打印成形，整个加工制造过程相较于传统的机械切削加工方式，省去了毛坯、图纸的制作、拟定加工工艺路线等步骤，而是直接根据计算机的处理的三维模型信息来打印成形零件，整個打印制造过程全程智能化。

2.2 经济性好

在机械加工制造中，需要经常用到异形件、不规则件等非标准件，这些零部件由于属于非标准件，适用范围和数量都较少，但又不可或缺。在传统制造方式下，对于这类型零部件只能进行单独设计和加工制造，但这样的加工制造方式需要耗费大量的财力、物力和人力，经济性较差。而在3D打印制造过程中，在零部件在满足强度和使用环境的前提下可直接用3D打印方法打印出相关零部件，应用到机械产品中，这样不仅能够缩短零部件制造时间，而且能够降低制造成本，提升经济性。

2.3 材料利用率高

传统的机械加工，一般是在较大的毛坯件上进行切削掉多余部分来成形零部件，但这样的加工制造方式会造成材料大量浪费，材料利用率低。而3D打印成形零件的方法相比于传统机械加工方式来说，它采用增材制造的方式进行零部件的制造，在这个过程中材料基本没有浪费，实现了材料的最大化利用，提升了材料利用率。

2.4 缩短产品开发验证周期

产品验证对于机械加工制造的产品来说，有着至关重要的地位。在过去，传统制造方式下，产品的验证周期比较长，它不仅需要大量设计零部件，还需要对这些零部件进行加工制造和组装。在某些特殊情况下，一些新设计的特殊零部件，还需要新开发模具进行制造，在这种背景下，从设计到制造完成会产生较长的等待周期，导致整个新产品开发过程耗费时间过长，不利于企业快速将新产品推向市场。而3D打印技术能够迅速按照新产品的零部件模型，通过增材制造的方式快速制造出来，从而以最短的时间完成对新产品的组装验证，大大缩短了新产品的开发验证周期，为新产品快速推向市场提供了有力保证，图2为美国Local Motors公司耗费44小时打印的汽车模型。

3  结语

本文一方面通过对3D打印技术的成形方法进行分析，对不同成形方法进行对比总结，另一方面，针对3D打印技术在机械加工中的优势进行归纳，得出该技术具有智能化制造、经济性好、材料利用率高、缩短开发周期等特点。相信，随着3D打印技术和信息技术的发展，3D打印技术必将朝着功能化、高精度、高强度的方向发展，其应用范围必将越来越广。

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