3d打印技術(shù)在各種產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用研究

1 引言
    快速成型(rapid prototyping，RP)技術(shù)是80年代中期發(fā)展起來的一種新原型制造技術(shù)，在產(chǎn)品開發(fā)初期，設(shè)計出所需的CAD圖或STL檔，并在實際生產(chǎn)前制作出模型以作為設(shè)計確認、產(chǎn)品修正、功能測試、模具開發(fā)的原始模型，即原型(prototype)。RP技術(shù)綜合了機械工程、CAD、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)及材料科學(xué)技術(shù)，可以自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑�型或直接制造零件，從而對產(chǎn)品設(shè)計進行快速評估、修改及功能試驗，大人縮短產(chǎn)品研發(fā)周期：具有敏捷性、適合任何形狀、高度柔韌或剛性、高度集成化等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于機械、汽車、電子、通訊、航空航天等領(lǐng)域。RP技術(shù)發(fā)展至今，已開發(fā)了較多相關(guān)設(shè)備以滿足各類模型制作的需要。
2 基于激光燒結(jié)技術(shù)的e-制造特點
    德國EOS公司自1989年以來一直致力于激光燒結(jié)快速成型系統(tǒng)的研究開發(fā)與設(shè)備制造工作，所擁有的激光燒結(jié)技術(shù)正是EOS公司所倡導(dǎo)e-制造的核心技術(shù)。e-制造是指從數(shù)字檔案直接進行快速、彈性、低成本的制造。這種制造方式目前能夠滿足從單件產(chǎn)品制造到個性化產(chǎn)品大量生產(chǎn)的不同需求，使產(chǎn)品設(shè)計與制造之間有了新的結(jié)合方式，其主要優(yōu)點簡稱為：任何形狀、任何時間、任何地方。具體說明如下：
    (1)任何形狀，即在任何形狀下都可通過設(shè)計帶動制造�；�于激光燒結(jié)技術(shù)的e-制造使設(shè)計者不再受傳統(tǒng)制造技術(shù)的限制而修改設(shè)計，造型設(shè)計師或工業(yè)設(shè)計師可實現(xiàn)其無窮的創(chuàng)意。如異型水路設(shè)計成為了改善模具散熱效率以降低冷卻周期的革命性設(shè)計。
    (2)任何時間，即適用于產(chǎn)品生命周期中的任何一個階段。e-制造適用于產(chǎn)品生命周期中從前置開發(fā)期到產(chǎn)品上市后的零組件供應(yīng)中的任何一個階段，且不受專業(yè)人員更替及工作時間的限制，通過CAD或各種設(shè)計軟件所獲得的3D數(shù)據(jù)可直接并快速地制作原型樣品或?qū)嶓w零件。
    (3)任何地方，即適用于任何產(chǎn)業(yè)。e-制造理念極具競爭優(yōu)勢，可輕松制作原本結(jié)構(gòu)復(fù)雜及價格高昂的模具或零部件產(chǎn)品，設(shè)計、建筑、航天、汽車、機器人等高科技或民生工業(yè)領(lǐng)域均有其適用性。目前直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)技術(shù)呈現(xiàn)出e-制造優(yōu)勢，可直接燒結(jié)銅合金粉末、鋁硅鎂粉末、不銹鋼粉末、模具鋼粉末、鈦合金粉末，使模具開發(fā)從快速開模(rapid tooling)進展到具有異型水路結(jié)構(gòu)或幾何外型復(fù)雜的高端模具制作。
2 金屬粉末激光快速成型技術(shù)應(yīng)用案例
    鈦應(yīng)用的傳統(tǒng)制造方法是鑄造、鍛造和機械加工，這些方法非常費力且成本較高。鈦經(jīng)常用于產(chǎn)量相對較小但價值重要的零件。激光燒結(jié)方法能夠輕易制造出空心等輕型結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，極大地提高鈦組件的性能和價值。鈦合金有極佳的機械特性和抗腐蝕性，比重小，生物兼容性好。迄今為止，激光鈦燒結(jié)主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和牙科設(shè)備、航天和汽車及時尚行業(yè)等。最常使用的材料是EOS鈦T164(細粉末Ti6A14V合金)。一些醫(yī)學(xué)案例中使用低間隙元素含量的粉末或者工業(yè)純鈦粉末。
    圖1為Leader Italia公司研發(fā)出的一系列名為TiXos的新型植牙螺釘，能在EOSINT M 270設(shè)備中使用鈦原料進行生產(chǎn)。這種螺釘通常由固體金屬機械加工而成，而在激光燒結(jié)中則通過將金屬粉末熔在一起而形成，不會浪費原料。通過控制激光曝光強度生成一種含有完全致密體和多孔表面形態(tài)的混合結(jié)構(gòu)，這樣就無需涂層，還能提高生物活性，可以根據(jù)需要在每一次作業(yè)中生產(chǎn)不同種類和尺寸的螺釘，高教靈活地生產(chǎn)大量高性能產(chǎn)品。激光燒結(jié)技術(shù)能夠通過計算機進行設(shè)計，在制造植牙體和相關(guān)表面時頗具特色地模仿骨骼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部連接孔洞，傳統(tǒng)的表面處理工藝不能做到這一點。

    圖1 新型植牙螺釘
    KERRIE LUFT將激光燒結(jié)技術(shù)用于制造別致鞋類，通過鈦快速成型制作復(fù)雜幾何形狀的鞋跟，以體現(xiàn)其新藝術(shù)的特征。鞋跟的花絲結(jié)構(gòu)需要高強度材料，選擇鈦最合適。圖2為KERRIE LUFT在倫敦展示的使用激光鈦燒結(jié)制作的MA系列鞋跟。

    圖2 使用激光鈦燒結(jié)制作的MA系列鞋跟
    使用直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)制作模具的另一優(yōu)勢是改善模具效能以使生產(chǎn)過程獲得最大成效，該技術(shù)能夠節(jié)省時間和成本，而且在模具中加設(shè)冷卻水路或溫控管路時，可以使模具局部溫度降低或達到均溫，對模具進行更快速地冷卻或加溫處理，以縮短成型周期，且不會產(chǎn)生殘留應(yīng)力及翹曲等問題。傳統(tǒng)的水路制作均以鉆孔方式完成，其直線圓管狀造型須避開相關(guān)結(jié)構(gòu)或組裝原件，使水路設(shè)計受到限制。而基于直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)制作的模具，給冷卻水路或其他管道設(shè)計的位置及造型帶來了廣闊的想象空間。圖3所示帶有異型水路的模具需要以低廉的單價生產(chǎn)200萬顆高爾夫球紀念品，利用直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)制作此模具的時間僅為50h，且能提高產(chǎn)能近20%。

    圖3 帶有異型水路的模型
3 結(jié)束語
    RP技術(shù)經(jīng)過20余年的發(fā)展，在加工方法、材料等方面取得了許多突破。該技術(shù)持續(xù)以20%的速度穩(wěn)定增長，每年均有1000～1500套快速成型設(shè)備出售。目前全球有400家RP服務(wù)機構(gòu)，這一市場的擴人，在很人程度上與相關(guān)設(shè)備的研發(fā)及材料的開發(fā)密不可分。