增材制造：3D打印技术及工艺简介
2020-12-18 17:41:58
3D打印，只是增材制造工艺的一种，它不是准确的技术名称，但是最为形象通俗。指通过离散-堆积使材料逐点逐层累积叠加形成三维实体的技术。根据它的特点又称增材制造，快速成形，任意成型等。本文将用3D打印及快速成型技术来表述说明。
1、3D打印优势
图1 3D打印的优势
缩短产品开发的时间：用传统方法制造出一个部件或原型往往需要数周，而使用3D打印技术，则可以将时间缩短至数天乃至数小时，使得单件试制、小批量出产的周期和成本降低，特别适合新产品的开发和单件小批量零件的出产。
制造更为复杂的零件：传统工艺物件的形状越复杂，加工难度就越高，制造成本也就越高。而3D打印技术不受物件形状的影响，可以制备出各种复杂的成品，还可以作出传统工艺所不能做出来的形状。
降低个性化订制成本：个性化定制产品往往成本较普通产品高，将3D打印技术应用于该领域后，大大降低恶劣个性化定制产品的制造成本。常见领域在于高端制造如航天航空零件，医疗器件如人工骨骼及其他领域。
减少原料浪费：3D打印绝大部分材料材料可以被再次使用，减少了原材料的浪费。
2、传统加工与快速成形的对比
图2传统加工与快速成形工艺的对比
3、快速成形工艺流程
快速成形工艺流程分为如下几个步骤：
A、三维模型构造。由于RP（快速成形）系统只接受计算机构造的产品三维模型(立体图)，然后才能进行切片处理，因此首先应在PC机或工作站上用CAD软件(如Pro/ENGINEER, I一DEAS，Solid Work等)，根据产品要求设计三维模型；或将已有产品的二维三视图转换成三维模型；或在仿制产品时，用扫描机对已有的产品实体进行扫描，得到三维模型，即反求工程的三维重构。
B、三维模型的近似处理。由于产品往往有一些不规则的自由曲面，加工前必须对其进行近似处理。最常用的方法是用一系列小三角形平面来逼近自由曲面。
C、三维模型的切片处理。由于RP工艺是按一层层截面轮廓来进行加工，因此加工前必须从三维模型上沿成形高度方向每隔一定的间距进行切片处理，以便提取截面的轮廓。间隔的大小按精度和生产率要求选定。间隔越小，精度越高，但成形时间越长。间隔的范围为0.05mm- 0.5 mm，常用0.1 mm，能得到相当光滑的成形曲面。切片间隔选定后，成形时每层叠加的材料厚度应与其相适应。各种成形系统都带有切片处理软件，能自动提取模型的截面轮廓。
D、截面加工。根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，RP系统中的成形头(如激光扫描头或喷头)在x一y平面内自动按截面轮廓进行扫描，切割纸(或固化液态树脂，烧结粉末材料，喷射粘结剂和热熔材料)，得到一层层截面。
E、截面叠加。每层截面成形之后，下一层材料被送至已成形的层面上，然后进行后一层截面的成形，并与前一层面相粘结，从而将一层层的截面逐步叠合在一起，最终形成三维产品。
F、后处理。后处理。从成形机中取出成形件，进行打磨、涂挂，或者放进高温炉中烧结，进一步提高其强度(如3D-P工艺)。对于SLS工艺，成形件放人高温炉中烧结是为了使粘结剂挥发掉，以便进行渗金属(如渗铜)处理。
RP工艺流程如图3所示
图3 快速成型过程
4、快速成型的主要工艺方法
A、立体印刷(SLA)
也称液态光敏树脂选择性固化。是一种最早出现的RPT，它的原理如下图4-1所示。
图4-1 立体印刷原理图
1-液面；2-激光二维扫描头；3-升降台；4-零件；5-零件支撑结构；6-液态光敏树脂。
这种方法适合成型小件塑料产品，产品表面质量好，尺寸精确。但成型中有物相变化，需设支撑结构，且原材料有污染，易使皮肤过敏。
B、分层实体制造(LOM)
也称薄形材料选择性切割。
它根据三维模型每一个截面的轮廓线，在计算机的控制下，用CO2激光束对薄形材料(如底面涂胶的纸)进行切割，逐步得到各层截面，并粘结在一起，形成三维产品，如图4-2所示。
图4-2 分层实体制造
这种方法适合成形大、中型零件，翘曲变形小，成形时间较短，但尺寸精度不高，材料浪费大，且清除废料困难。
C、选择性激光烧结（SLS）
使用CO2激光器烧结粉末材料(如蜡粉、PS粉、ABS粉、尼龙粉、覆膜陶瓷和金属粉等)。成形时先在工作台上铺上一层粉末材料，激光束在计算机的控制下，按照截面轮廓的信息，对制件的实心部分所在的粉末进行烧结。一层完成后，工作台下降一个层厚，再进行后一层的铺粉烧结。如此循环，最终形成三维产品。
4-3粉末材料选择性激光烧结的原理如图
D、熔化沉积成形
熔化沉积成形也称丝状材料选择性熔覆。三维喷头在计算机控制下，根据截面轮廓的信息，做x-y-z运动。丝材(如塑料丝)由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热、熔化，然后被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层完成后，工作台下降一层厚，再进行后一层的涂覆，如此循环，形成三维产品。
E、三维打印(3D-P)：
也称粉末材料选择性粘结。
喷头在计算机的控制下，按照截面轮廓的信息，在铺好的一层粉末材料上，有选择性地喷射粘结剂，使部分粉末粘结，形成截面层。一层完成后，工作台下降一个层厚，铺粉，喷粘结剂，再进行后一层的粘结，如此循环形成三维产品。粘结得到的制件要置于加热炉中，作进一步的固化或烧结，以提高粘结强度。
更多打印工艺有：全彩打印、塑料喷射打印、固基光敏液相法等。
5、3D打印热点工艺
A、SLM-激光选区熔化技术
原理：利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成型的一种技术。在高激光能量密度作用下，金属粉末完全熔化，经散热冷却后可实现与固体金属冶金焊合成型。SLM技术正是通过此过程，层层累积成型出三维实体的快速成型技术。
用激光烧结方式获取的零件，内部可能会有杂质气孔之类，成型件的力学性能可能连铸件都比不上。而用激光熔化方式获取的零件，成型件成分均匀，组织细小，材质致密等。成型件零件性能高于铸造件，接近锻造件性能。
B、DMLS-金属直接表面烧结/激光融覆
原理：通过在基材表面添加融覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的融覆层。
DMLS是一种新的金属表面改性技术。可用于修复表面损坏工件。
C、EBM-电子束熔炼
电子束熔炼是利用电能产生的高速电子动能作为热源来熔炼金属的冶金过程，又称电子轰击熔炼。该法熔炼温度高、炉子功率高和加热速度快，但也存在金属收率低、比电耗大等缺点。
可用于高熔点和活性金属和耐热合金钢。适用于制造钛零件样品及小批量产品。
D、LENS-激光近净成形
LENS是在激光熔覆技术的基础上发展起来的一种金属零件3D打印技术。采用中、大功率激光熔化同步供给的金属粉末，按照预设轨迹逐层沉积在基板上，最终形成近净形的零件实体，成形件不需要或者只需少量加工即可使用。
LENS可实现金属零件的无模制造，节约大量成本，适合于钛合金等高强度金属件加工。
参考来源：快速成型与快速制造技术/朱林泉等著作