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金属3D打印技术应用现状及发展趋势分析[转载]

               
发布时间:2020.06.04 16:26:54 星期四
               
摘要:

现在“3D打印”非常流行,这是一个热门词。让我们了解一下3D打印,字面意思是3D打印。目前,人们熟悉的平面打印 […]

金属3D打印技术应用现状及发展趋势分析[转载]

 

现在“3D打印”非常流行,这是一个热门词。让我们了解一下3D打印,字面意思是3D打印。目前,人们熟悉的平面打印机只能在纸上打印文字或图形,没有高度,而三维打印则可以打印三维物体。所用的材料也可以选择,包括塑料、尼龙、木材、沙子、树脂、金属等,尺寸可以完全一致,也可以按比例印刷,直接从设计图形数据实现实物的快速制造。例如,普通的平板打印机只能打印水杯的图片,而3D打印机可以打印真正的水杯并从中喝水。

 

虽然3D打印是新概念,但并不是一个新技术,因为从上世纪八十年代开始,国内外各研究院所就已经开始研究,其专业术语里称为“快速成型”或“快速制造”(英文简称RP)。现在也有人称之为“增材制造”,这个说法是从3D打印的特殊制造方式而提出来的。

 

确实,增材制造与传统的制造存在很大的区别。例如:传统制造技术一般都是通过下料或制造辅助的模具来形成毛坯件,然后再进行大量的后续机械切削加工,最终满足实用的尺寸要求。从各种型材坯料或铸锻毛坯件到成品,会采用各式各样的加工手段,但基本原理都一样--去除材料以获得尺寸要求,称为“减材制造”。而3D打印采用不同的工艺,即采用增材堆积的措施,根据最终尺寸要求在一块基板上进行材料的堆积,堆积成型的零件直接使用,或者成型零件的表面进行微量加工,提高表面光洁度后即可使用。相比传统制造工艺,3D打印具有很多优势,包括:

1、材料总体利用率高;

注册送28元钱的网站,注册送19元无需申请,新会员白菜网送体验金2、无需开模,制造工序少,周期短;

注册送28元钱的网站,注册送19元无需申请,新会员白菜网送体验金3、可制造复杂结构的零件,如内部随形流道;

注册送28元钱的网站,注册送19元无需申请,新会员白菜网送体验金4、根据力学性能要求自由设计,不用考虑制造工艺。

就目前3D打印实现方式分析,主流的打印效率大约是0.1~2公斤/小时,其打印速度不高,通常用于单件或小批量零件的快速制造,免去开模费用和时间。虽然3D打印不适合于批量生产,但可以制造用于批量生产的各种模具的快速制造。

 

那么,3D打印如何实现的呢,上面我们谈到了“堆积”法,是的,3D打印技术就是逐层堆积材料的方式,获得立体的实物。

首先,通过扫描仪或电脑制图软件获得需要打印物体的三维数据,然后将数据导入3D打印机,用专用软件进行分层处理,每一层形成二维图形数据,然后专用软件根据每一层的二维图形数据进行线扫描或点打印路径规划和自动编程,形成打印机识别的数控G码程序,然后打印机启动这些程序,进行逐点逐线逐面打印,直到完成实物的成型。基本思路就是先将虚拟数据离散化处理,然后将离散数据用打印机变成实体,技术路径分解描述如下:

3D体数据--2D面数据--1D线数据--0D点数据--G代码--打印头扫描--0D点成型--1D线成型--2D面成型--多层堆积3D立体成型。

 

一、金属3D打印技术应用及现状

最初3D打印技术的主要应用是原型制造,将设计三维模型转化为实物,进行设计结构的验证,这种3D打印零件属于“非功能性的模型”,使用的材料主要是纸张、塑料和胶水;随着3D打印技术的成熟,近几年国内外很多机构开始尝试直接打印零件,即3D打印带有功能性的实物零件,使用的材料包括金属、高分子和陶瓷材料等。从技术难度上分析,功能性的实物制造比模型制造更难,一方面因为实物制造增加了对内部缺陷的要求;另一方面因为金属等材料的成型温度更高(熔化温度比塑料高约10倍),耐高温的打印头设计更复杂,而且凝固时产生很大的内应力,容易出现开裂、变形、气孔等现象,成型工艺比较复杂。

 

当然,目前大家关注的3D打印主要是具有功能性的实物制造,其中,金属零件的3D打印是最大的热点。

 

注册送28元钱的网站,注册送19元无需申请,新会员白菜网送体验金目前,金属零件的3D打印主要应用领域是航空、航天、军工、模具制造及医疗领域,用于这些领域共同特点就是个性化、小批量的快速制造。相对来说,医疗行业3D打印的应用发展速度较快,而其他领域发展较缓慢,主要原因是医疗领域充分利用了3D打印个性化制造的特点,对3D打印产品的机械强度和效率等要求较低,其他领域都对打印零部件的内部质量、机械强度、成型速度、配合精度均提出高要求。

 

从金属3D打印实现方式分类,主要有两种,分别是烧结式和熔覆式。采用激光烧结成型工艺的3D打印典型的国外公司包括德国的EOS、concept、SLM等公司,英国的雷尼绍公司,日本matsuura公司;中国的华中科技大学滨湖机电公司、华南理工大学;采用电子束烧结成型工艺的瑞典的ARCAM公司,中国的北京航空制造研究所(625所),这类产品主要优点是成型的精度较高,缺点是成型速度低,成型尺寸限制在300mm左右;主要应用于医疗和小型模具制造。

注册送28元钱的网站,注册送19元无需申请,新会员白菜网送体验金采用激光熔覆成型工艺的3D打印典型企业包括美国POM公司和OPTOMEC公司,中国的北京航空航天大学天地激光公司、西北工业大学西安铂利特公司、沈阳新松机器人自动化股份有限公司,电子束熔覆成型工艺3D打印典型企业包括美国的Sciaky公司、中国的北京航空制造研究所(625所)。这类产品的主要优点是冶金质量好、成型速度快、成型尺寸大,但精度较低,需后续机加工,典型应用是航空高强度结构件、叶片制造、各种金属模具的直接成型。

 

二、智能机器人和复合技术将真正启动3D打印应用市场

虽然现在3D打印很热,有很多企业和政府也纷纷上马或推广3D打印项目,但真正用3D打印做出产品的较少。这里面关键问题还是技术问题,打印速度和精度、打印精度和强度等相互矛盾的技术指标困扰着制造商和最终用户,当然还有操作专业性强、原材料昂贵等问题,最终让他们保持观望态度。

 

注册送28元钱的网站,注册送19元无需申请,新会员白菜网送体验金在现阶段技术条件下,3D打印的智能化及复合兼容技术非常有效地解决目前存在的弊端,大幅提升3D的性能。

 

注册送28元钱的网站,注册送19元无需申请,新会员白菜网送体验金1、3D打印控制方式智能化

目前,国内外的三维加工大多采用“盲”冲孔工艺,需要总结大量的工艺数据。成形过程非常复杂,经常需要对每一个形状零件和每一种材料进行连续检测,几乎每一层都需要对工艺参数进行总结。另外,当成形过程中出现异常时,系统无法自动识别或调整。如果没有人工干预,将导致无法继续成形或在工件上留下缺陷。只有经验丰富的专业技术人员操作机器随时观察成形状态,才能制造出更多合格的零件,这严重影响了金属3D打印的普及。

因此,作者认为智能3D打印机是非常重要的。和人类一样,在3D打印机上安装“眼睛”也是必要的。通过观察外部物体的状态,我们可以随时调整人类的姿势和行为。对于3D打印机,它是调整工艺参数。

因此,“智能识别与反馈功能”将是目前快速成型系统亟待解决的问题。通过简单的工艺参数积累,3D打印设备可以自行判断,实现智能调整,简化复杂的快速成型工艺,更具实用性和推广性。智能识别系统将在成形过程中提供大量的数据,希望通过实践积累大量的数据,使3D打印机变“智能”,最后通过软件的开发,使3D打印机具有自学习功能,这确实是3D打印系统需要具备的功能,也符合机器人的特点。

注册送28元钱的网站,注册送19元无需申请,新会员白菜网送体验金从3D打印的基本过程来看,每一层上每一点的积累都是一个特殊的过程,可控性差,这与切割机床有很大的不同。机床的每一次切削都是可控的,这是它们采用不同控制方法的根本原因。与数控技术相比,三维打印控制过程更接近于焊接机器人系统。

注册送28元钱的网站,注册送19元无需申请,新会员白菜网送体验金因此,模糊控制和实时控制将是3D打印控制技术的重要特点。因此,无论是六轴关节还是三轴坐标,都应该选择机器人作为主控制方式而不是机床,控制方式决定了系统的类型。因此,从专业角度来看,“3D打印机器人”这个名词更适合它,也更符合它的发展方向。

 

注册送28元钱的网站,注册送19元无需申请,新会员白菜网送体验金2、增减材复合技术获得高速高分辨率3D打印产品

对于高性能的金属构件,3D打印直接成型的光洁度和精度不能满足要求,尤其配合位置无法保证精度,不能装机使用,成型精度问题限制了3D打印的推广和应用。

为了提高3D打印零件的成型精度,常规的方法是减小3D打印点的尺寸,提高分辨率,比如提高激光束的汇聚性,让熔化区域变更小,单个熔化区域尺寸达到微米级,但同时给超细材料的供给带来很大难度,同时熔化区的变小会带来成型速度大幅降低,效率的降低不适于工业领域应用。总之,常规思路的3D打印是:

高速3D打印获得低分辨率产品,低速3D打印获得高分辨率产品。

注册送28元钱的网站,注册送19元无需申请,新会员白菜网送体验金那么,我们单从一个新技术发展特性来看,新技术对老技术的兼容和继承性非常重要,也是必须的,否则就是空中楼阁。显然,3D也须符合这个发展规律,增材制造结合切削减材制造技术,二者高度兼容才能让3D打印快速发展。

注册送28元钱的网站,注册送19元无需申请,新会员白菜网送体验金具体来说,就是将传统铣削机床技术加入到3D打印成型过程中,仍然采用低分辨率的打印工艺,可保证高速成型工艺,然后用铣削的措施来保证成型精度,最终成型精度零件使用的技术标准。

目前,日本松浦机械和美国Fabrisonic公司已经开始尝试将铣削技术和3D打印技术融合,国内的沈阳新松机器人自动化股份有限公司也已经开始进行3D打印复合技术开发,实现了随型流道注塑模具、叶片、螺旋桨及其它复杂零部件的快速制造。

 

三、3D打印的“工业革命”需要创新

对于3D打印,大家褒贬不一,乐观者认为:3D打印技术的使用意味着一场变革,将给未来的制造业、社会生产模式与人类生活方式带来的深刻影响和变革,3D打印将颠覆传统制造业;消极者认为:3D打印存在很多问题,不会有什么前途,也根本不可能对传统产业造成影响。

这两种态度都有道理,变革的观点是因为3D打印符合了工业发展的规律,是对3D打印思路的认可;反对的观点是说明了目前3D打印存在实用性问题。

注册送28元钱的网站,注册送19元无需申请,新会员白菜网送体验金因此,我们将积极地、公正地来看待3D打印。

 

我们从现有3D打印技术来看,它的很多问题确实需要改进,否则就像消极者所说的没有前途。当然,我们上面也分析了,智能化和复合技术将解决一些问题,当前看来会有很大突破,但从长远发展来看,3D打印方式必须革新,包括打印的材料、打印头的工作方式、打印控制技术等等。

 

3D打印是一个新的数字化制造技术,它的发展将给我们的生活方式和工作方式带来变化,但它在一定时间内必定会继承现有技术,它是传统工业的有益补充。随着科技发展,尤其交叉科学的应用,会给3D打印技术带来巨大突破,也会发展成制造业的主角。将来真正做到简易操作、高效、高精度、低成本,3D打印就会带来“工业革命”!

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