3d打印技术在各种产业中的应用研究

1 引言
    快速成型(rapid prototyping，RP)技术是80年代中期发展起来的一种新原型制造技术，在产品开发初期，设计出所需的CAD图或STL档，并在实际生产前制作出模型以作为设计确认、产品修正、功能测试、模具开发的原始模型，即原型(prototype)。RP技术综合了机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而对产品设计进行快速评估、修改及功能试验，大人缩短产品研发周期：具有敏捷性、适合任何形状、高度柔韧或刚性、高度集成化等优点，广泛应用于机械、汽车、电子、通讯、航空航天等领域。RP技术发展至今，已开发了较多相关设备以满足各类模型制作的需要。
2 基于激光烧结技术的e-制造特点
    德国EOS公司自1989年以来一直致力于激光烧结快速成型系统的研究开发与设备制造工作，所拥有的激光烧结技术正是EOS公司所倡导e-制造的核心技术。e-制造是指从数字档案直接进行快速、弹性、低成本的制造。这种制造方式目前能够满足从单件产品制造到个性化产品大量生产的不同需求，使产品设计与制造之间有了新的结合方式，其主要优点简称为：任何形状、任何时间、任何地方。具体说明如下：
    (1)任何形状，即在任何形状下都可通过设计带动制造。基于激光烧结技术的e-制造使设计者不再受传统制造技术的限制而修改设计，造型设计师或工业设计师可实现其无穷的创意。如异型水路设计成为了改善模具散热效率以降低冷却周期的革命性设计。
    (2)任何时间，即适用于产品生命周期中的任何一个阶段。e-制造适用于产品生命周期中从前置开发期到产品上市后的零组件供应中的任何一个阶段，且不受专业人员更替及工作时间的限制，通过CAD或各种设计软件所获得的3D数据可直接并快速地制作原型样品或实体零件。
    (3)任何地方，即适用于任何产业。e-制造理念极具竞争优势，可轻松制作原本结构复杂及价格高昂的模具或零部件产品，设计、建筑、航天、汽车、机器人等高科技或民生工业领域均有其适用性。目前直接金属激光烧结(DMLS)技术呈现出e-制造优势，可直接烧结铜合金粉末、铝硅镁粉末、不锈钢粉末、模具钢粉末、钛合金粉末，使模具开发从快速开模(rapid tooling)进展到具有异型水路结构或几何外型复杂的高端模具制作。
2 金属粉末激光快速成型技术应用案例
    钛应用的传统制造方法是铸造、锻造和机械加工，这些方法非常费力且成本较高。钛经常用于产量相对较小但价值重要的零件。激光烧结方法能够轻易制造出空心等轻型结构产品，极大地提高钛组件的性能和价值。钛合金有极佳的机械特性和抗腐蚀性，比重小，生物兼容性好。迄今为止，激光钛烧结主要应用于医学和牙科设备、航天和汽车及时尚行业等。最常使用的材料是EOS钛T164(细粉末Ti6A14V合金)。一些医学案例中使用低间隙元素含量的粉末或者工业纯钛粉末。
    图1为Leader Italia公司研发出的一系列名为TiXos的新型植牙螺钉，能在EOSINT M 270设备中使用钛原料进行生产。这种螺钉通常由固体金属机械加工而成，而在激光烧结中则通过将金属粉末熔在一起而形成，不会浪费原料。通过控制激光曝光强度生成一种含有完全致密体和多孔表面形态的混合结构，这样就无需涂层，还能提高生物活性，可以根据需要在每一次作业中生产不同种类和尺寸的螺钉，高教灵活地生产大量高性能产品。激光烧结技术能够通过计算机进行设计，在制造植牙体和相关表面时颇具特色地模仿骨骼结构的内部连接孔洞，传统的表面处理工艺不能做到这一点。

    图1 新型植牙螺钉
    KERRIE LUFT将激光烧结技术用于制造别致鞋类，通过钛快速成型制作复杂几何形状的鞋跟，以体现其新艺术的特征。鞋跟的花丝结构需要高强度材料，选择钛最合适。图2为KERRIE LUFT在伦敦展示的使用激光钛烧结制作的MA系列鞋跟。

    图2 使用激光钛烧结制作的MA系列鞋跟
    使用直接金属激光烧结技术制作模具的另一优势是改善模具效能以使生产过程获得最大成效，该技术能够节省时间和成本，而且在模具中加设冷却水路或温控管路时，可以使模具局部温度降低或达到均温，对模具进行更快速地冷却或加温处理，以缩短成型周期，且不会产生残留应力及翘曲等问题。传统的水路制作均以钻孔方式完成，其直线圆管状造型须避开相关结构或组装原件，使水路设计受到限制。而基于直接金属激光烧结技术制作的模具，给冷却水路或其他管道设计的位置及造型带来了广阔的想象空间。图3所示带有异型水路的模具需要以低廉的单价生产200万颗高尔夫球纪念品，利用直接金属激光烧结技术制作此模具的时间仅为50h，且能提高产能近20%。

    图3 带有异型水路的模型
3 结束语
    RP技术经过20余年的发展，在加工方法、材料等方面取得了许多突破。该技术持续以20%的速度稳定增长，每年均有1000～1500套快速成型设备出售。目前全球有400家RP服务机构，这一市场的扩人，在很人程度上与相关设备的研发及材料的开发密不可分。