3D打印方法在机械加工制造中优势浅析

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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。

关键词：3D打印；成形方法；机械加工制造

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。

13D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种常见的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ScottC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CimaM.J.和ScansE.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]。

23D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，整个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LocalMotors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。

作者:蒋龙 姚晓彤 单位:山东建筑大学机电工程学院