金屬零部件制造的3D打印技術(shù)現(xiàn)

3D打印又稱(chēng)“增材制造”，美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）F42國(guó)際委員會(huì)將其明確定義為“采用打印頭、噴嘴或其他打印技術(shù)沉積材料來(lái)制造物體的技術(shù)”。因此，3D打印是一類(lèi)制造技術(shù)的總稱(chēng)，從內(nèi)涵至外延包含了廣泛的原材料應(yīng)用和增材工藝方法。自1892年基于疊層制造原理的立體地形模型制造專(zhuān)利發(fā)布起，3D打印技術(shù)的原始創(chuàng)新活動(dòng)蓬勃發(fā)展，近30年來(lái)國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者將增材工藝與數(shù)字化制造技術(shù)結(jié)合起來(lái)，并進(jìn)一步深化了基礎(chǔ)理論體系，真正將3D打印發(fā)展成為一種可以工業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)門(mén)類(lèi)。金屬零部件是工業(yè)體系中占比最大、應(yīng)用最為廣泛的產(chǎn)品類(lèi)型，隨“工業(yè)4.0”進(jìn)程的加快，快速開(kāi)發(fā)、定制化制造、輕量化等需求面臨著緊迫的壓力。而3D打印技術(shù)具備成自由形度高、用材范圍廣、制件性能優(yōu)異及制造環(huán)節(jié)少的特點(diǎn)，很好地契合了金屬零部件產(chǎn)品的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，并已開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用性階段。

一、間接制造現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)

鑄造成形是獲得金屬零部件的一種重要而又廣泛的技術(shù)方式，在傳統(tǒng)的鑄造工業(yè)中大多包含模具制造的工序，而模具設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和修正是一個(gè)漫長(zhǎng)而昂貴的過(guò)程，3D打印技術(shù)中的快速原型（RapidPrototyping）技術(shù)可以有效解決這一問(wèn)題而獲得大量應(yīng)用。其中，代表性的技術(shù)包括選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）、激光立體光固化（SLA）和樹(shù)脂微滴噴射（3DP）技術(shù)。采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)可以省去模具制造過(guò)程，直接用來(lái)制作酚醛樹(shù)脂覆膜砂鑄型、熔模芯殼等產(chǎn)品，用于澆注金屬零部件產(chǎn)品；激光立體光固化技術(shù)是通過(guò)特定波長(zhǎng)的激光光束來(lái)固化光敏樹(shù)脂的成形方式，具備成形自由度高、制件粗糙度低、尺寸精度好的特點(diǎn)，用來(lái)制作剛性高分子模具，強(qiáng)度可達(dá)50MPa，適用于呋喃樹(shù)脂砂、水玻璃砂及潮模砂的砂型翻模制造，模具壽命和尺寸精度水平可滿(mǎn)足小批量鑄造產(chǎn)品的生產(chǎn)，且制造時(shí)間和成本低于傳統(tǒng)金屬模具；樹(shù)脂微滴噴射技術(shù)采用陣列噴頭動(dòng)態(tài)控制的方式，獲得了較快的面層掃描速度，適用于呋喃樹(shù)脂自硬砂型的高效率制造。

筆者認(rèn)為，鑄型的適用范圍和設(shè)備制造效率能否有效兼顧，是影響3D打印技術(shù)在鑄造批量化生產(chǎn)模式中獲得應(yīng)用的關(guān)鍵因素。目前，可動(dòng)態(tài)關(guān)閉的大功率半導(dǎo)體激光器技術(shù)已實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性突破，未來(lái)各研究機(jī)構(gòu)和制造企業(yè)會(huì)開(kāi)發(fā)出陣列掃描燒結(jié)酚醛覆膜砂材料的設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)低維護(hù)成本下寬幅應(yīng)用砂型的高速制造，能真正使 3D 打印成為傳統(tǒng)鑄造的必備工序。

二、直接制造現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)

直接制造金屬零部件的3D打印技術(shù)，充分發(fā)揮了金屬熔體在遠(yuǎn)離平衡態(tài)凝固過(guò)程中晶粒細(xì)化、溶質(zhì)偏析傾向小的作用，可獲得細(xì)密均勻的基體組織，并使金屬零部件呈現(xiàn)出良好的力學(xué)性能；此外，現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念中的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可以通過(guò)3D打印的自由成形能力得到充分發(fā)揮，極大提高金屬制件的輕量化水平。這些優(yōu)勢(shì)的協(xié)同作用為3D打印的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，已在航空、航天等高端裝備的極致輕量化和高可靠性部件上獲得了大量應(yīng)用，此外，隨金屬粉材牌號(hào)、規(guī)格的不斷擴(kuò)展和設(shè)備核心器件的價(jià)格持續(xù)降低，直接制造金屬零部件3D打印技術(shù)的應(yīng)用成本正在趨近于合理的區(qū)間。軌道交通、船舶等民用高端裝備產(chǎn)品具備與航空、航天產(chǎn)品相似的批量特點(diǎn)，并包含自身特有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和輕量化、安全性指標(biāo)需求，將會(huì)為選擇性激光熔化技術(shù)、激光立體成形技術(shù)提供新的應(yīng)用空間。

三、組合制造現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)

四、結(jié)語(yǔ)