1、3D 打印快速成型技術(shù)及其應(yīng)用摘要：本文介紹了 3D 打印技術(shù)的基本原理及其制造流程。通過一些實(shí)例說明了 3D 打印的應(yīng)用主要是說明在現(xiàn)代軍事方面的應(yīng)用。一引言3D打印(3D?PRINTING?)即3D打印技術(shù)，又3D打印制造是20世紀(jì)80年代才興起的一門新興的技術(shù)，是21 世紀(jì)制造業(yè)最具影響的技術(shù)之一。隨著計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展， 信息高速公路加快了科技傳播的速度， 產(chǎn)品的生命周期越來越短， 企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)不再只是質(zhì)量和成本上的競(jìng)爭(zhēng)， 而更重要的是產(chǎn)品上市時(shí)間的競(jìng)爭(zhēng)。因此，通過計(jì)算機(jī)仿真和 3D 打印增加產(chǎn)品的信息量，以便更快的完成設(shè)計(jì)及其制造過程， 將產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程的時(shí)間周期盡量縮短，

2、 防止投產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)問題造成不可挽回的損失。 ?3D 打印技術(shù)是由 CAD 模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造復(fù)雜形狀的三維實(shí)體的技術(shù)總稱。簡(jiǎn)單的講， 3D 打印制造技術(shù)就是快速制造新產(chǎn)品首版樣件的技術(shù)，它可以在沒有任何刀具、 模具及工裝夾具的情況下， 快速直接的實(shí)現(xiàn)零件的單件生產(chǎn)。 該技術(shù)突破了制造業(yè)的傳統(tǒng)模式， 特別適合于新產(chǎn)品的開發(fā)、 單件或少批量產(chǎn)品試制等。它是機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)CAD 、電子技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光?技術(shù)、材料科學(xué)等多學(xué)科相互滲透與交叉的產(chǎn)物。 它可快速， 準(zhǔn)確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛄慵?以便進(jìn)行快速評(píng)估， 修改及功能測(cè)試， 從而大大縮短產(chǎn)品的研制周期，減少開發(fā)費(fèi)用，加快

3、新產(chǎn)品推向市場(chǎng)的進(jìn)程。 ?自從美國(guó) 3D 公司在 1987 年推出世界上第一臺(tái)商用快速原形制造設(shè)備以來，快速原形技術(shù)快速發(fā)展。 投入的研究經(jīng)費(fèi)大幅增加， 技術(shù)成果豐碩。 原形化系統(tǒng)產(chǎn)品的銷量高速增長(zhǎng)。 在這方面美國(guó)， 日本一直處于領(lǐng)先地位， 我國(guó)在這方面起步較晚， 但是奮起直追， 開展研究并取得一定成果， 國(guó)內(nèi)也有些成熟的產(chǎn)品問世， 他們正在各種生產(chǎn)領(lǐng)域上發(fā)揮著作用。3D 打印技術(shù)的簡(jiǎn)介3D 打印系統(tǒng)的工作原理和制造工藝3D 打印技術(shù)是一種逐層制造技術(shù)，它采用離散/堆積成型原理，其過程是：先得到所需零件的計(jì)算機(jī)三維曲面或?qū)嶓w模型； 然后根據(jù)工藝要求， 將其按一定 厚度進(jìn)行分層， 將原來的三維模

4、型變成二維平面信息， 即離散過程； 再將分層后 的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，加入加工參數(shù)，產(chǎn)生數(shù)控代碼；在微機(jī)控制下，數(shù)控系統(tǒng)以平面加工方式， 有序地連續(xù)加工出每個(gè)薄層， 并使它們自動(dòng)粘接而成型， 從 而制造出所需產(chǎn)品的實(shí)物樣件或成品，這就是材料的堆積過程。已知自由曲面CAD 模型，如果使用傳統(tǒng)的方法和數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，那么復(fù)雜的自由曲面，成本高，效率低。近年來， 3D 打印即廣泛的被運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)中。各種 3D 打 印技術(shù)的過程都包括CAD 模型建立、生成STL 文件格式、 3D 打印制作、模型分層切片和后置處理五個(gè)步驟，其制造過程如圖 1 所示（1）利用激光固化樹脂材料的光造型法（Stereol

5、ithography）。光造型裝置 一直以美國(guó)3DSYSTEMS公司的S L A型產(chǎn)品獨(dú)占鰲頭，并形成壟斷市場(chǎng)。其工 作原理如下：由激光器發(fā)出的紫外光,經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)匯集成一支細(xì)光束,該光束在計(jì)算機(jī)控制下有選擇的掃描液體光敏樹脂表面,利用光敏樹脂遇紫外光凝固的機(jī)理,一層一層固化光敏樹脂,每固化一層后,工作臺(tái)下降一精確距離,并按新一層表面幾何信息使激光掃描器對(duì)液面進(jìn)行掃描,使新一層樹脂固化并緊緊粘在前一層已固化的樹脂上,如此反復(fù),直至制作生成零件實(shí)體模型。激光立體造型制造精度目前可達(dá)土 0.1mm ,主要用作為產(chǎn)品提供樣品和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。此外，日本的帝人制機(jī)開發(fā)的 SOLIFORM 可直接制作注射成型模

6、具和真空注塑模具。（ 2）紙張疊層造型法。紙張疊層造型法目前以 HELISYS 公司開發(fā)的 LOM 裝置應(yīng)用最廣。該裝置采用專用滾筒紙,由加熱輥筒使紙張加熱聯(lián)接,然后用激光將紙切斷,待加熱輥筒自動(dòng)離開后,再由激光將紙張裁切成層面要求形狀。（3）熔融造型法熔融造型法（FDM ）。以美國(guó) STRATASYS 公司開發(fā)的產(chǎn)品 FDM（FUSED?DEPOSITION?MODELLING） 應(yīng)用最為廣泛。工作時(shí),直接由計(jì)算機(jī)控制。噴頭擠出熱塑材料并按照層面幾何信息逐層由下而上制作出實(shí)體模 型。FDM技術(shù)的最大特點(diǎn)是速度快（一般模型僅需幾小時(shí)即可成型）、無污染, 在原型開發(fā)和精鑄蠟?zāi)５确矫娴玫綇V泛應(yīng)用。

7、 FDM 生產(chǎn)可選成型材料種類較多，原材料費(fèi)用低，因而的到廣泛的應(yīng)用。但是FDM 也有其固有的缺點(diǎn)。精度低，熱融制造中很難控制精度， 難以制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件， 且材料的制造是處于熔點(diǎn)附近，因而構(gòu)件的強(qiáng)度小，也不適合制造大型的制件，這些特點(diǎn)都限制了 FDM 的應(yīng)用范圍。( 4)熱可塑造型法(SLS )。以 DTM 公司開發(fā)的選擇性激光燒結(jié)即SLS(SELECTIVE?LASER?SINTERING)應(yīng)用較多。該方法是用CO2激光熔融燒結(jié)樹脂粉末的方式制作樣件。工作時(shí)，由CO2激光器發(fā)出的光束在計(jì)算機(jī)控制下，根據(jù)幾何形體各層橫截面的幾何信息對(duì)材料粉末進(jìn)行掃描,激光掃描處粉末熔化并凝固在一起。 然后

8、 ,鋪上一層新粉末,再用激光掃描燒結(jié),如此反復(fù),直至制成所需樣件。3D 打印制造的優(yōu)點(diǎn)3D打印技術(shù)的加工特點(diǎn)：3D打印技術(shù)突破了 “毛坯-切削加工品”傳統(tǒng)的零件加工模式,開創(chuàng)了不用刀具制作零件的先河,是一種利用的薄層疊加的加工方法。與傳統(tǒng)的切削加工方法相比 ,3D 打印加工至少具有以下優(yōu)點(diǎn) :?(1)可迅速制造出具有自由曲面和更為復(fù)雜形態(tài)的零件,如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，這些利用傳統(tǒng)工藝很難加工的,從而大大降低了新產(chǎn)品的開發(fā)成本和開發(fā)周期。在時(shí)間尤其重要的今天，它可以為企業(yè)節(jié)省大量的研發(fā)時(shí)間。(2)它屬于非接觸加工,不需要切削加工所必需的刀具和夾具,無刀具磨損和切削力影響。只需要一套特

9、定的設(shè)備，工序簡(jiǎn)單，沒有傳統(tǒng)加工的煩瑣的工序。傳統(tǒng)的加工中每一個(gè)工序都需要機(jī)床等復(fù)雜加工設(shè)備， 且加工過程復(fù)雜， 對(duì)操作人員的技術(shù)要求很高。(3)無振動(dòng)、噪聲和切削廢料?？梢詾槠髽I(yè)節(jié)省寶貴的試制原料，簡(jiǎn)化生產(chǎn)。傳統(tǒng)的制造中由于多是機(jī)械制造， 噪音較大。 且加工時(shí)邊角料多。 造成資源的浪 費(fèi)。(4)可實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化生產(chǎn)。操作可以由電腦控制，無需人的過多干預(yù)。真正實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。（5）加工效率高,能快速制作出產(chǎn)品實(shí)體模型及模具。精度高，生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量好。（6）3D 打印技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的關(guān)鍵作用和重要意義是很明顯的，它不受復(fù)雜形狀的限制， 可迅速地將示于計(jì)算機(jī)屏幕上的設(shè)計(jì)變?yōu)檫M(jìn)一步評(píng)估的實(shí)物。 根據(jù)

10、原型，可對(duì)設(shè)計(jì)的正確性、造型的合理性、可裝配性和干涉性，進(jìn)行具體的檢驗(yàn)。通過原型的檢驗(yàn)可使開發(fā)產(chǎn)品中的風(fēng)險(xiǎn)減到最底的限度。3D 打印技術(shù)在軍事方面的應(yīng)用當(dāng)前， 3D 打印技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用主要是武器裝備受損部件的維修和復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)。3D打印成型技術(shù)打印出的手槍及零部件4 1 武器裝備受損部件維修美國(guó)國(guó)防部曾采用激光近凈成型進(jìn)行受損零件現(xiàn)場(chǎng)維修， 以及專用零件的小批量生產(chǎn)。 安妮斯頓陸軍基地采用激光近凈成型成功維修M1 艾布拉姆斯坦克的燃?xì)鉁u輪。美國(guó)海軍水下作戰(zhàn)中心（NUWC）實(shí)施了快速制造與維修（RMR）計(jì)劃， 該計(jì)劃采用選擇性激光燒結(jié)， 直接金屬激光燒結(jié)、 熔融堆積成型以及電子束。4

11、2 武器裝備復(fù)雜結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)紅石兵工廠的美國(guó)陸軍航空與導(dǎo)彈研究開發(fā)與工程中心（ AMRDEC ）通過立體光刻成型技術(shù)、熔融沉積建模、分層制造、激光近凈成型、選擇性激光燒結(jié)等技術(shù)， 進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證和最優(yōu)化研究。 為了評(píng)估人機(jī)工程特性與性能， AMEDEC采用立體光刻成型技術(shù)制造導(dǎo)彈控制操縱桿， 避免了傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備所需花費(fèi)的大量時(shí)間和設(shè)備成本， 降低了總生產(chǎn)成本， 縮短了開發(fā)周期。 美國(guó)國(guó)防部與工業(yè)界聯(lián)合實(shí)施了采用類似立體光刻成型的方法合金結(jié)構(gòu)件快速生產(chǎn)的項(xiàng)目， 其生產(chǎn)效率比傳統(tǒng)的鐵合金加工工藝高 80%。 F-15 獵鷹噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)鐵合金外掛架冀肋備件采用激光3D 打印工藝，使零件的需求能夠在2 個(gè)

12、月內(nèi)得到快速滿足，并最大限度保持飛機(jī)的可用性。 正是由于這些優(yōu)點(diǎn)， 選擇性激光燒結(jié)工藝被授予2003年國(guó)防制造技術(shù)成就獎(jiǎng)。 使用 3D 打印技術(shù)制造UH-60 直升機(jī)門把手， 相比傳統(tǒng)工藝節(jié)省了 140 萬美元，從而驗(yàn)證了 3D 打印技術(shù)在成本方面具有一定優(yōu)勢(shì)。除了美國(guó)，歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)（ EADS ）的一個(gè)科研小組也致力于使用 3D 打印技術(shù)制造飛機(jī)的整個(gè)機(jī)翼。截止2011 年 3 月研究者已使用該技術(shù)制造出了飛機(jī)起 落架的支架和其它飛機(jī)零件。四結(jié)束語最近兩年， 3D 打印技術(shù)概念引起了國(guó)內(nèi)外政府、軍方、企業(yè)的高度重視，但其實(shí)3D打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展有30余年。美國(guó)著名智庫(kù)高德納（Gartner）公司2012 年度高德納新興IT 技術(shù)顯示度周期特別報(bào)告認(rèn)為， 3D 打印技術(shù)正處于高循環(huán)曲線顯示度頂點(diǎn)。預(yù)計(jì)該技術(shù)在未來25年內(nèi)到達(dá)生產(chǎn)力成熟期。然而，通過分析發(fā)現(xiàn)， 3D 打印技術(shù)卻很難取代傳統(tǒng)制造工藝，在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在對(duì)受損部件的修復(fù)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的生產(chǎn)以及小批量部件生產(chǎn)等方面，與傳統(tǒng)制造工藝形成了較好的互補(bǔ)關(guān)系。例如，美國(guó)計(jì)劃使用 3D 打印技術(shù)在太空空間站上制造