13D打印技術(shù)原理

3D打印技術(shù)又可稱為3DP,即快速成型技術(shù),是一種以數(shù)字模型文件為依據(jù),以可粘合材料為主要工具,將可粘合材料逐層打印進行完整物體構(gòu)造的技術(shù)。常用的粘合材料主要為塑料、粉末狀金屬。一般來說,3D打印需要依靠數(shù)字技術(shù)材料打印機進行物體制造。

23D打印對機械制造及自動化的影響

2.1改善機械制造布局

直接制造是3D打印技術(shù)的突出特點,其可以在計算機軟件控制下直接根據(jù)圖形數(shù)據(jù)進行相應物體設計規(guī)劃,生成直觀的數(shù)據(jù)制造信息。相較于傳統(tǒng)生產(chǎn)加工線而言,3D打印技術(shù)生產(chǎn)效率更高,且生產(chǎn)成本較低。通過3D打印技術(shù)在機械制造及自動化中的廣泛應用,可以逐步淘汰以往人工、機器密集型生產(chǎn)技術(shù),進一步簡化機械制造流程,實現(xiàn)定制化、個性化機械零件的加工。

2.2推進機械制造自動化進程

3D打印是機械制造自動化發(fā)展的里程碑。相較于傳統(tǒng)打印技術(shù)而言,3D打印所噴射的粉末、液體類型不一,結(jié)合紙層疊、光固化等技術(shù)可以直接將多種材料組合制造成型。同時由于3D打印是由CAD軟件實現(xiàn),通過在機械制造中應用3D打印技術(shù),可以將機械設計、制造等多個模塊進行有效連接,進一步推動機械制造自動化進程。

33D打印在機械制造及自動化的應用

3.1機械混合加工

機械混合加工又可稱為HybridMachining,其主要是在一臺設備中完成機理不同的兩種或者兩種以上的加工工程,如3D打印與切削加工混合等。一方面,在混合加工技術(shù)應用過程中,可以在一臺車床中將銑削、車、鉆、攻絲、深瞠孔等多個工序有效結(jié)合,通過一次裝夾完成從毛坯到成品的完整加工。如在2016年我國主導研發(fā)的金屬3D打印技術(shù)"智能微鑄鍛"及鑄鍛銑（增量、等量、減量）合一技術(shù),在3D打印技術(shù)的基礎上加入了鍛打技術(shù),有效突破了3D打印在機械制造及自動化中應用的壁壘,開啟了人類實驗室制造大型機械的里程。鑄鍛銑（增量、等量、減量）合一技術(shù)主要利用"鑄鍛銑"一體機,如鐵道轍叉貝氏體鋼自由增材成型一體機,將設計、控制、檢測、工藝、裝配等模塊有效結(jié)合,進行高鐵轍叉貝氏體鋼叉、航空大型承力多功能復雜材料零件、復合制造航空發(fā)動機鈦合金零件、變向變徑變厚中空不銹鋼螺旋管及復雜的新建筑鋼構(gòu)多節(jié)點（11個節(jié)點）接頭產(chǎn)品的生產(chǎn)加工,開辟了依靠一臺設備自動進行鍛件設計加工的新歷史。

另一方面,機械混合加工可以充分發(fā)揮3D打印、切削加工方法優(yōu)勢,通過車削時借助激光軟件機械工件表面等方式,改善以往鈦合金等材料加工難度大的問題,改善加工零件復雜表面粗糙度、完整性,促進高端產(chǎn)品的創(chuàng)新。以激光燒結(jié)3D打印為例,其又可稱之為Laserassistedmachining,可以將激光束聚焦至切削刃前工件表面,在材料被切除前的瞬間將局部加熱至較高溫度,降低材料切削難度。在這個基礎上,通過激光燒結(jié)3D打印對工件表面進行加熱,可以在一定程度上提高材料塑性,在減少刀具磨損的同時,也可以降低切削力及振動,達到提高加工效率的目的。

3.2選擇性激光融化技術(shù)

選擇性激光融化技術(shù)又可稱為SLM技術(shù),其主要是通過計算機輔助設計CAD,在受控條件下,利用高能激光源（能量密度大于106w/cm2）逐層融化金屬粉末后逐層固化,獲得三維幾何形狀的零件。常用的選擇性激光熔化激光器主要有光纖激光器、Co2激光器、Nd-YAG激光器等。SLM技術(shù)較其他3D打印技術(shù)而言,不僅可以突破機械制造周期瓶頸,而且可以最大限度提高生產(chǎn)效率。但是由于選擇性激光熔化技術(shù)具有較高冷卻速率,其最終制造機械自動化部件微觀結(jié)構(gòu)、力學性能具有較大差異。

以ALSi10Mg合金機械自動化制造加工為例,在具體應用過程中,基于3D打印技術(shù)特殊性,可以首先通過T6熱處理技術(shù),在535℃下進行固溶處理。隨后在158.0℃下進行10h的人工時效處理。通過上述處理,可以在保證鋁合金拉伸、完全強度一定的同時,提高鋁合金延展性。隨后根據(jù)成型件三維CAD模型分層切片信息,掃描系統(tǒng)振鏡,控制激光束作用于待成型區(qū)域內(nèi)粉末。在一層掃描完畢后活塞缸內(nèi)活塞會下降一個層厚距離,并向送粉系統(tǒng)內(nèi)輸送一定量金屬粉末,如圖1所示。同時鋪粉系統(tǒng)銀子會鋪展一層一定厚度的粉末,粉末可在已成型層上逐層沉積。在鋪粉-沉積過程充分至全部三維CAD模型切片層掃描完畢后,可以獲得成型ALSi10Mg合金配件。在成型ALSi10Mg合金配件加工完畢后,活塞缸會向上方推進,從成型裝備中抽出零件。

3.3打造高強度鋁合金

3D打印是包括汽車、航空航天在內(nèi)的機械制造與自動化行業(yè)的潛在性突破技術(shù),通過在機械制造與自動化行業(yè)應用3D打印技術(shù),可以提高機械制造自由度、靈活性,實現(xiàn)復雜幾何形狀機械產(chǎn)品定制。在消除傳統(tǒng)規(guī)模精益約束的同時,可以縮短機械制造產(chǎn)品上市時間?，F(xiàn)階段可用于3D打印的機械材料主要為合金,如Incone1718、TiAL6V4、A1Si10Mg、CoCr等。

以3D打印在TiAL6V4中的應用為例,在增材制造過程中可以引入控制固化納米顆粒成核劑,利用激光、電子束等直接能量源,融化一層黃色金屬粉末,隨后將其固化至藍色,最后結(jié)合金屬原料的納米微粒組裝,熔合底層灰色金屬。其可以生產(chǎn)出不同納米顆粒原料,被靶向以誘導等軸晶粒生長。而在利用成核劑后可以從根本上解決熔融、凝固動力導致周期性裂紋、大柱狀晶粒等不可耐受微觀結(jié)構(gòu)。這種情況下,具有較高強度且與增材制造不相容的高強度鋁合金就可以利用選取激光熔化順利加工,實現(xiàn)等軸無裂紋的細晶粒微觀結(jié)構(gòu)處理,達到與鋁合金鍛造相差不大的材料強度。由于該增材制造方法僅需一臺3D打印機器進行不同類型合金加工,可以進一步優(yōu)化鋁合金沖鍛工藝,為3D打印廣泛的工業(yè)應用奠定基礎。

4結(jié)語

綜上所述,在發(fā)展進程中,3D打印已廣泛應用于工業(yè)設計、汽車、珠寶、土木工程等各個領域,在機械制造及自動化方面優(yōu)勢也逐步凸顯。因此,為了充分發(fā)揮3D打印實際價值,相關(guān)行業(yè)人員應在現(xiàn)有鋁合金沖鍛工藝的基礎上,結(jié)合3D增材制造原理,選擇恰當?shù)?D打印機器。在計算機軟件的控制下,進行不同合金與納米粒子組合制造。最終獲得強度與沖鍛工藝生產(chǎn)產(chǎn)品一致,且不受傳統(tǒng)機械制造方式約束的產(chǎn)品。