3D打印鈦合金鍛件棒材的原理、材料及應(yīng)用

引言

3D打印鈦合金技術(shù)相較于傳統(tǒng)的零部件制造，有著極高的效率與精準(zhǔn)性，在實際的生產(chǎn)過程中，不需要使用任何模具，也不需要使用刀具進(jìn)行切割，降低了投入的成本，符合現(xiàn)階段社會發(fā)展的需求，并且在各行各業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用前景。

1、3D打印技術(shù)原理

3D打印技術(shù)的原理有三個方面。首先便是軟件建模，利用 CAD 與 PE 等各種建模軟件可以設(shè)計出大部分零部件，3D建模的質(zhì)量也變得越來越精細(xì)。其次便是零部件模型的分層，具體原理便是將三維物體的數(shù)據(jù)通過信息化技術(shù)轉(zhuǎn)化為二維的數(shù)據(jù)，3D打印技術(shù)可以對一個完整的三維模型進(jìn)行多個層次的劃分與切割，并將其以二維數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行記錄、設(shè)計。在實際的3D打印過程中，對一個完整的三維模型劃分與切割的層次越多，所打造出的零部件尺寸準(zhǔn)確度就越高。在實際的打印過程中，更要重視打印的材料[1]。

2、3D打印技術(shù)在我國的現(xiàn)狀

2.1 以高校為核心研發(fā)3D打印技術(shù)

在我國依托于高校為核心建立的3D打印技術(shù)研發(fā)體系，已經(jīng)為我國研發(fā)出了大量的先進(jìn)3D打印技術(shù)，甚至一些特殊的3D打印技術(shù)水平，已經(jīng)達(dá)到了世界的技術(shù)水平前列。這種以高校為核心的技術(shù)研發(fā)體系，促進(jìn)了我國3D打印技術(shù)的發(fā)展。因此為了更好地推進(jìn)我國3D打印技術(shù)的發(fā)展，我國應(yīng)該加強(qiáng)對于高校的研究資金投入，來幫助我國高校研究所的發(fā)展，培養(yǎng)一批優(yōu)秀的3D打印技術(shù)型的高質(zhì)量人才，以此來達(dá)到推進(jìn)我國工業(yè)化進(jìn)程的目的。

2.2 以3D打印技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建產(chǎn)業(yè)市場

因為我國高校研究中心以及國家和社會的科學(xué)研究所的不斷努力，我國已經(jīng)構(gòu)建起了一定規(guī)模的3D打印產(chǎn)業(yè)市場，目前已經(jīng)涌現(xiàn)出多家以3D打印技術(shù)為核心的企業(yè)。雖然現(xiàn)階段我國3D打印技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模較小，但是隨著我國對3D打印技術(shù)的不斷推 廣與應(yīng)用，先進(jìn)的3D打印技術(shù)會幫助我國開發(fā)更大的產(chǎn)業(yè)市場，并在世界零部件生產(chǎn)、銷售市場中占據(jù)大量的份額。

2.3 金屬3D打印技術(shù)領(lǐng)先地位

我國對3D打印技術(shù)的研發(fā)也給予了高度的重視，因此我國的3D打印技術(shù)不斷完善與進(jìn)步，我國也攻克了不少高性能金屬零部件3D打印制造的難題，使得我國在金屬3D打印技術(shù)中位居全球的領(lǐng)先地位。我國領(lǐng)先的金屬3D打印技術(shù)可以幫助我國在和他國進(jìn)行零部件產(chǎn)品競爭時始終處于領(lǐng)先地位，增強(qiáng)了我國的經(jīng)濟(jì)競爭實力，促進(jìn)了我國經(jīng)濟(jì)規(guī)模的擴(kuò)大，幫助我國實現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興[2]。

3、熔融式3D打印

隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，各種3D打印技術(shù)陸續(xù)出現(xiàn)，但是熔融式3D打印，仍然是最適用于目前零部件制造的一項3D打印技術(shù)。熔融式3D打印在實際的工作中，可以幫助我們解決面對各類模型時的困難，解決實際的技術(shù)要求難點，以便我們可以更 好地打印出合格的零部件模型。

3D打印技術(shù)大量走向國際市場，但是由于受工藝技術(shù)和材質(zhì)、價格等多方面的因素，現(xiàn)在應(yīng)用得最為普遍的3D打印技術(shù)，就是熔融式3D打印技術(shù)[3]。

4、熔融式3D打印的原理

熔融式3D打印機(jī)工作的基本原理并不復(fù)雜，首先進(jìn)行加熱處理，使此處的打印機(jī)物料頭與噴絲板達(dá)到熔化狀態(tài)，在到達(dá)一定溫度以后，及表明打印機(jī)工作即可進(jìn)行。然后將零部件的3D模型相關(guān)文件資料導(dǎo)入，依靠于計算機(jī)技術(shù)來管理熔融式3D打印機(jī)的工作，使噴絲頭沿著一種特定的軌跡進(jìn)行移動，在工作中提高噴絲頭的熱度，將熔化后的打印材料，拼組到打印版上，通過噴絲頭的移動來完成層層的3D打印，最終得到完美的零部件模型。

5、制作熔融式3D打印機(jī)的常用模型技術(shù)

熔融沉積工藝在3D打印機(jī)的各類工藝中使用得最普遍，但在部分模具制造中仍面臨著許多技術(shù)難題和自身局限。通過熔融式3D打印機(jī)，可以經(jīng)過反復(fù)試驗檢測，考察打印效果，剖析打印問題，并總結(jié)出熔融式3D打印機(jī)在制造部分模具時，必須注意技能的 使用要領(lǐng)[4]。

5.1 設(shè)計打印底座

在打印之前，首先需要設(shè)計和繪制模型圖紙，以此來制造打印機(jī)的底座，打印的底座最大的好處是當(dāng)打印模型初始面不規(guī)則平整時，可以使模型擁有支撐的能力，確保在打印過程中不會出現(xiàn)歪斜的情況。在實際的打印過程中，初始打印面過小時，打印機(jī)會自 動進(jìn)行識別、打印底座，但自動打印的模式會使底座存在部分缺陷。在部分模型中，打印機(jī)自動設(shè)計的底座會與模型緊密相連，在完成打印之后，無法對其進(jìn)行分離，最終使得打印出的模型報廢，無法使用。

5.2 了解打印材料的剩余量

在打印常用模型的時候，還要考慮模型的尺寸規(guī)格大小等基本條件能否滿足現(xiàn)在的打印機(jī)需求。因為一旦模型的規(guī)格過大，而在打印機(jī)中剩余的打印機(jī)材料又不夠，就會產(chǎn)生了打印機(jī)的模型不夠完全，而無法進(jìn)行印刷的現(xiàn)象，這最終會導(dǎo)致模型化無法實現(xiàn)。

必須在從頭放入的印刷材料中預(yù)熱之后進(jìn)行印刷，因為這不僅損壞了材料，而且還浪費資源。最好的方法是對于打印機(jī)進(jìn)行設(shè)置，檢測打印的材料是否足夠進(jìn)行完整的模型打印，這樣當(dāng)打印材料不足時，可以在打印前發(fā)現(xiàn)問題。

5.3 設(shè)置公差

為某些特殊的零部件設(shè)定必要而合理的公差。在某些特殊模具的制造過程中，因為材質(zhì)的影響以及與打印機(jī)可能產(chǎn)生的偏差等問題，對這些模具進(jìn)行了打印，但在最后完成時可能會導(dǎo)致模具無法達(dá)到現(xiàn)實中的使用條件，從而產(chǎn)生問題。尤其是在像機(jī)械這一類 的重要零部件中涉及到的配合時，比如當(dāng)打印一個螺孔時，按實際要求打印，會導(dǎo)致打印出來的螺孔出現(xiàn)比實際要求更大的情況，無法達(dá)到使用要求。因此對于這類零件需要設(shè)置一定的公差，使得最終打印出來的模型達(dá)到使用要求。

5.4 調(diào)整打印方向

在打印零部件模型之前，需要確定所打印零部件的打印面，根據(jù)零部件不同的形狀與大小，來選擇最優(yōu)的打印初始面，選擇的打印初始面不同，會導(dǎo)致最終的零部件質(zhì)量有著很大的差別，打印一個長桿的零部件模型時需要選擇橫著進(jìn)行打印，如果選擇立著打印，會導(dǎo)致因為技術(shù)原因，打印機(jī)會自動建立各種支撐，使得最終零部件在成型之時發(fā)生嚴(yán)重的變化。因此在實際的3D打印中，需要調(diào)整合理的打印初始面，確保零部件模型重心較低，才能打印出最優(yōu)的零部件[5]。

6、熔融式3D打印高分子材料分析

6.1 高分子絲材

ABS 材料擁有強(qiáng)度高、彈性好、耐沖擊和易于機(jī)械加工等優(yōu)勢，而且 ABS 同時還擁有優(yōu)異的熱絕緣性及其耐腐蝕性，并且能夠在非常低的工作溫度下保持其表面上色的能力。在當(dāng)前的行業(yè)中都具有廣闊的使用前景，同時 ABS 也是 FDM 中最為普遍的使用材質(zhì)，在以 ABS 為主要材質(zhì)的熔融式3D打印流程中，所生產(chǎn)出的零件產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定且硬度高、韌性好，不過由于 ABS 材質(zhì)存在著很大的熱收縮性能，使得最終的零件成品出現(xiàn)了變化，表面會出現(xiàn)上翹，并且還會有異味散出。

6.2 光敏樹脂

為了更好地使光敏樹脂達(dá)到充分凝固的狀態(tài)，保證最后的零部件產(chǎn)出可以保證其良品率，因此采用光敏樹脂制造零部件，需要采用精度很高的熔融式3D打印設(shè)備。目前世界上各個發(fā)達(dá)國家都在研究怎樣將PC 真正應(yīng)用到商業(yè)用途，但因為目前可采用的熔融 式3D打印材料過少，酸酐、PUA、乙烯基酯 PC 樹脂材料三者里面，酸酐粘度適中，特別利于熔融式3D打印成形。

7、熔融式3D打印技術(shù)的應(yīng)用

熔融沉積式塑型的3D打印機(jī)加熱時噴嘴將是受到由電腦進(jìn)行溫度控制的，而其所打印的材質(zhì)主要是為絲狀的熱塑性高分子，原料將會被由一個牽引輪的裝置所直接的送入噴嘴，在進(jìn)行升溫以及軟化并且熔化之后，由噴嘴所擠出來的粘結(jié)一直到達(dá)了工作臺 表面，接著就在上面快速的進(jìn)行了冷卻以及固化，當(dāng)每一層的截面完成之后工作狀態(tài)就將在上面下降一層的位置上，然后再在下面繼續(xù)下一層的造型，如此進(jìn)行了多次，一直到最后實現(xiàn)了整個實體的造型，并且每一層的厚度要根據(jù)由噴嘴所擠出絲的孔徑多少 來進(jìn)行確定的。

8、熔融式3D打印技術(shù)對于零部件制造的優(yōu)勢

隨著計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，熔融式3D打印技術(shù)也逐漸在零部件制造過程中起到了非常大的作用，相對于傳統(tǒng)的零部件制造工藝有著十分明顯的優(yōu)勢。

8.1 節(jié)約零部件制造周期時間

熔融式3D打印技術(shù)的使用能夠在極大程度上縮短了零件生產(chǎn)的周期時間，因為熔融式3D打印技術(shù)能夠?qū)⒁酝鶄鹘y(tǒng)的零件設(shè)計中從生產(chǎn)到制作的整個流程，統(tǒng)一縮略為電腦中的三維設(shè)計模式，從而取消了傳統(tǒng)零件生產(chǎn)流程中的人工設(shè)計、調(diào)整加工等各 種繁瑣的程序。同時，利用計算機(jī)技術(shù)能夠?qū)α慵a(chǎn)工藝進(jìn)程做出更有效的調(diào)控，從而實現(xiàn)零件制造的智能化、精密化、高效化，從而充分提升了我國零件的生產(chǎn)效益。

8.2 降低零部件制造成本

相對于傳統(tǒng)的零部件制造工藝來說，熔融式3D打印技術(shù)可以很大程度上降低制造成本，幫助企業(yè)達(dá)到利益最大化。雖然由于技術(shù)水平等因素的限制，目前熔融式3D打印技術(shù)仍需要一些特殊的金屬原材料和特殊的打印設(shè)備，會導(dǎo)致最終生產(chǎn)的零部件制造 成本較高，對于個別特殊的零部件也無法打印，但是與傳統(tǒng)的零部件制造投入的資金相比，仍具有較高的回報率。同時，由于傳統(tǒng)的零部件制造過程會產(chǎn)生大量的廢品，而利用熔融式3D打印技術(shù)制造零部件，可以幫助技術(shù)人員靈活地使用各種打印方式，有效降 低了前期對零部件大量更改造成經(jīng)濟(jì)成本的損失。

8.3 提高更多可能性，加快零部件產(chǎn)品研發(fā)

熔融式3D打印技術(shù)可以在計算機(jī)中進(jìn)行對三維物體模型的直接生成，可以有效降低因前期無法確定所制造的模具是否符合要求而造成的經(jīng)濟(jì)損失。隨著我國對熔融式3D打印技術(shù)的不斷重視以及資金的大量投入，使得我國適用于熔融式3D打印技術(shù)的原材料愈加豐富，熔融式3D打印機(jī)的功能也開始變得越來越多，為我國各行各業(yè)的發(fā)展都提供了非常大的幫助。同時熔融式3D打印技術(shù)也可以幫助我國的零部件設(shè)計人員提供更便利的設(shè)計平臺，幫助設(shè)計人員對零部件不同部位的試用進(jìn)行實驗、分析，來研發(fā) 出更符合要求的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。

8.4 實現(xiàn)零部件定制化模式

利用熔融式3D打印技術(shù)不僅可以縮短零部件制造的生產(chǎn)周期，幫助企業(yè)達(dá)到利益的最大化，擺脫了傳統(tǒng)零部件制造工藝的高成本化、低效率化等缺點，使得企業(yè)可以打造出更多元化、個性化的零部件。熔融式3D打印技術(shù)定制化的特點可以為我國的航天、醫(yī)療、教育等行業(yè)提供更加定制化的零部件，來促進(jìn)我國工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展。實現(xiàn)零部件定制化模式可以生產(chǎn)出航天所需求的特殊零部件、專業(yè)的醫(yī)療零部件，還可以制造出定制的三維立體教學(xué)模型，滿足社會上各行各業(yè)定制化的生產(chǎn)需求。

9、結(jié)語

3D打印技術(shù)對于我國各行各業(yè)的發(fā)展都有著十分明顯的促進(jìn)作用，未來我國的3D打印技術(shù)更應(yīng)該不斷地去進(jìn)行創(chuàng)新、改造。3D打印技術(shù)有可能成為未來第三次工業(yè)革命的源頭，隨著各種新型的3D打印材料及設(shè)備的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也將越來越廣闊。

參考文獻(xiàn)

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[4] 楊云.3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)概論[J].科學(xué)與信息化，2020（13）：2.