1、金屬3D打印技術應用現狀及發展趨勢分析現在“3D打印”非常流行，是一個大家熱議的詞匯。我們先來認識一下3D打印，從字面來看，它就是三維立體打印的意思。目前，我們熟悉的平面打印機只能在紙上打印文字或圖形， 都沒有高度，而3D打印可以打印一個立體的物品。所用的材料也可以選擇，包括塑料、尼龍、 木質、砂子、樹脂、金屬等，尺寸可以與完全一致，也可以按比例打印，實現了從設計圖形數據 直接生產實物的快速制造。舉例來說，普通的平面打印機只能打印一個水杯的照片，而 3D打印 機可以打印一個真實的水杯，可以拿這個水杯喝水。雖然3D打印是新概念，但并不是一個新技術，因為從上世紀八十年代開始，國內外各研究 院所就已

2、經開始研究，其專業術語里稱為“快速成型”或“快速制造”（英文簡稱RFh現在也有人稱之為“增材制造”，這個說法是從3D打印的特殊制造方式而提出來的。確實，增材制造與傳統的制造存在很大的區別。例如：傳統制造技術一般都是通過下料或制 造輔助的模具來形成毛坯件，然后再進行大量的后續機械切削加工，最終滿足實用的尺寸要求。 從各種型材坯料或鑄鍛毛坯件到成品，會采用各式各樣的加工手段，但基本原理都一樣-去除材料以獲得尺寸要求，稱為“減材制造”。而3D打印采用不同的工藝，即采用增材堆積的措施，根 據最終尺寸要求在一塊基板上進行材料的堆積，堆積成型的零件直接使用，或者成型零件的表面 進行微量加工，提高表面光潔度

3、后即可使用。相比傳統制造工藝，3D打印具有很多優勢，包括：1、材料總體利用率高；2、無需開模，制造工序少，周期短；3、可制造復雜結構的零件，如內部隨形流道；4、根據力學性能要求自由設計，不用考慮制造工藝。就目前3D打印實現方式分析，主流的打印效率大約是 0.12公斤/小時，其打印速度不高， 通常用于單件或小批量零件的快速制造，免去開模費用和時間。雖然3D打印不適合于批量生產， 但可以制造用于批量生產的各種模具的快速制造。那么，3D打印如何實現的呢，上面我們談到了 “堆積”法，是的，3D打印技術就是逐層堆 積材料的方式，獲得立體的實物。首先，通過掃描儀或電腦制圖軟件獲得需要打印物體的三維數據，然

4、后將數據導入3D打印機，用專用軟件進行分層處理，每一層形成二維圖形數據，然后專用軟件根據每一層的二維圖形 數據進行線掃描或點打印路徑規劃和自動編程，形成打印機識別的數控G碼程序，然后打印機啟動這些程序，進行逐點逐線逐面打印，直到完成實物的成型。基本思路就是先將虛擬數據離散化 處理，然后將離散數據用打印機變成實體，技術路徑分解描述如下：3D體數據-2D面數據-1D線數據-0D點數據-G代碼-打印頭掃描-0D點成型-1D線成型-2D 面成型-多層堆積3D立體成型。一、金屬3D打印技術應用及現狀最初3D打印技術的主要應用是原型制造，將設計三維模型轉化為實物，進行設計結構的驗 證，這種3D打印零件屬于

5、“非功能性的模型”，使用的材料主要是紙張、塑料和膠水；隨著 3D 打印技術的成熟，近幾年國內外很多機構開始嘗試直接打印零件，即 3D打印帶有功能性的實物 零件，使用的材料包括金屬、高分子和陶瓷材料等。從技術難度上分析，功能性的實物制造比模 型制造更難，一方面因為實物制造增加了對內部缺陷的要求；另一方面因為金屬等材料的成型溫 度更高（熔化溫度比塑料高約10倍），耐高溫的打印頭設計更復雜，而且凝固時產生很大的內應 力，容易出現開裂、變形、氣孔等現象，成型工藝比較復雜。當然，目前大家關注的3D打印主要是具有功能性的實物制造，其中，金屬零件的 3D打印是 最大的熱點。目前，金屬零件的3D打印主要應用領

6、域是航空、航天、軍工、模具制造及醫療領域，用于 這些領域共同特點就是個性化、小批量的快速制造。相對來說，醫療行業3D打印的應用發展速度較快，而其他領域發展較緩慢，主要原因是醫療領域充分利用了3D打印個性化制造的特點，對3D打印產品的機械強度和效率等要求較低，其他領域都對打印零部件的內部質量、機械強度、 成型速度、配合精度均提出高要求。從金屬3D打印實現方式分類，主要有兩種，分別是燒結式和熔覆式。采用激光燒結成型工 藝的3D打印典型的國外公司包括德國的 EOS concept、SLM等公司，英國的雷尼紹公司，日本 matsuura公司；中國的華中科技大學濱湖機電公司、華南理工大學；采用電子束燒結

7、成型工藝的瑞典的ARCAM公司，中國的北京航空制造研究所（625所），這類產品主要優點是成型的精度較 高，缺點是成型速度低，成型尺寸限制在 300mm左右；主要應用于醫療和小型模具制造。采用激光熔覆成型工藝的3D打印典型企業包括美國POM公司和OPTOMES司，中國的北 京航空航天大學天地激光公司、西北工業大學西安柏利特公司、沈陽新松機器人自動化股份有限 公司,電子束熔覆成型工藝 3D打印典型企業包括美國的 Sciaky公司、中國的北京航空制造研究 所（625所）。這類產品的主要優點是冶金質量好、成型速度快、成型尺寸大，但精度較低，需后 續機加工，典型應用是航空高強度結構件、葉片制造、各種金屬

8、模具的直接成型二、智能機器人和復合技術將真正啟動 3D打印應用市場雖然現在3D打印很熱，有很多企業和政府也紛紛上馬或推廣 3D打印項目，但真正用3D打 印做出產品的較少。這里面關鍵問題還是技術問題，打印速度和精度、打印精度和強度等相互矛 盾的技術指標困擾著制造商和最終用戶，當然還有操作專業性強、原材料昂貴等問題，最終讓他 們保持觀望態度。在現階段技術條件下，3D打印的智能化及復合兼容技術非常有效地解決目前存在的弊端，大幅提升3D的性能。1、3D打印控制方式智能化目前國內外大部分3D都采用“盲”打工藝，需總結大量的工藝數據，成型工藝非常復雜, 往往每一種形狀零件、每一種材料都需要不斷的試驗，幾乎

9、每一層都需要總結出工藝參數。而且 當成型過程中出現異常時，系統無法識別，也不能自動調整，如果不去人工干預，將造成無法繼續成型或將缺陷留在工件里，必須由經驗豐富的專業技術人員操作機器隨時觀察成型狀態才能做出較合格的零件，嚴重影響了金屬 3D打印的普及性。因此，筆者認為3D打印機智能化非常重要，像人一樣，給 3D打印機裝上“眼睛”是非常必 要的，通過看外在物體狀態隨時調整人的姿態和行為，對于3D打印機來說，就是調整工藝參數。因此，“智能識別和反饋功能”將是目前快速成型系統的迫切需要解決的問題，通過較簡便的工藝參數積累，讓3D打印設備自己去判斷，智能調整即可，讓復雜的快速成型工藝變簡單，更 具有實用

10、性和推廣性。智能識別系統將提供大量成型過程的數據，希望通過實踐積累大量數據， 讓3D打印機變更“聰明”，最終通過軟件的開發讓3D打印機具備自學習功能，這樣的思路也就 確確實實是3D打印系統需要具備的特征，同時也符合了機器人的特征。從3D打印的基本工藝來看，他每一層每一點的堆積都是一個特殊過程，可控性差，和切削 的機床大有不同，機床每一刀下去都可控，這就是他們將采用不同控制方式的根本原因。相比數 控技術，3D打印控制過程與焊接機器人系統更接近。那么，模糊控制、實時調控將是 3D打印控制技術的重要特征，因此，確切來說我們的選擇 主控方式應該選機器人，而不是機床，不管是 6軸關節還是3坐標，控制方式

11、決定系統類型。因 此，從專業角度來看，“3D打印機器人”的稱呼更適合這個它，也符合它的發展方向。2、增減材復合技術獲得高速高分辨率 3D打印產品對于高性能的金屬構件，3D打印直接成型的光潔度和精度不能滿足要求，尤其配合位置無法 保證精度，不能裝機使用，成型精度問題限制了3D打印的推廣和應用。為了提高3D打印零件的成型精度，常規的方法是減小 3D打印點的尺寸，提高分辨率，比如 提高激光束的匯聚性，讓熔化區域變更小，單個熔化區域尺寸達到微米級，但同時給超細材料的 供給帶來很大難度，同時熔化區的變小會帶來成型速度大幅降低，效率的降低不適于工業領域應 用。總之，常規思路的3D打印是：高速3D打印獲得低

12、分辨率產品，低速3D打印獲得高分辨率產品。那么，我們單從一個新技術發展特性來看，新技術對老技術的兼容和繼承性非常重要，也是 必須的，否則就是空中樓閣。顯然，3D也須符合這個發展規律，增材制造結合切削減材制造技術， 二者高度兼容才能讓3D打印快速發展。具體來說，就是將傳統銃削機床技術加入到 3D打印成型過程中，仍然采用低分辨率的打印 工藝，可保證高速成型工藝，然后用銃削的措施來保證成型精度，最終成型精度零件使用的技術 標準。目前，日本松浦機械和美國Fabrisonic公司已經開始嘗試將銃削技術和 3D打印技術融合，國 內的沈陽新松機器人自動化股份有限公司也已經開始進行3D打印復合技術開發，實現了

13、隨型流道注塑模具、葉片、螺旋槳及其它復雜零部件的快速制造。三、3D打印的“工業革命”需要創新對于3D打印，大家褒貶不一，樂觀者認為：3D打印技術的使用意味著一場變革，將給未來的制造業、社會生產模式與人類生活方式帶來的深刻影響和變革，3D打印將顛覆傳統制造業；消 極者認為：3D打印存在很多問題，不會有什么前途，也根本不可能對傳統產業造成影響。這兩種態度都有道理，變革的觀點是因為3D打印符合了工業發展的規律，是對3D打印思路 的認可；反對的觀點是說明了目前 3D打印存在實用性問題。因此，我們將積極地、公正地來看待 3D打印。我們從現有3D打印技術來看，它的很多問題確實需要改進，否則就像消極者所說的沒有前 途。當然，我們上面也分析了，智能化和復合技術將解決一些問題，當前看來會有