時間:2013-01-11 13:26來源:環球網作者:admin點擊:7359 次3D列印技術是指通過連續的物理層疊加，逐層增加材料來生成三維實體的技術，與傳統的去除材料加工技術不同，因此又稱為添加製造（AM，Additive Manufacturing）。2012年12月17日有媒體報道，華中科技大學史玉升科研團隊經過十多年努力，實現重大突破，研發出全球最大的「3D印表機」。 這一「3D印表機」可加工零件長寬最大尺寸均達到1.2米。從理論上說，只要長寬尺寸小於1.2米的零件（高度無需限制），都可通過這部機器「列印」出來。華中科技大學材料科學與工程學院副院長史玉升說，「3D印表機」是通俗叫法，這一設備的學術名稱為基於粉末床的激光燒結快速製造裝備。最近，「3D列印技術」成了科技新聞報道中的高頻辭彙，彷彿世界萬物沒有什麼是這個所謂的「3D列印技術」所不能製造的。著名的《經濟學人》雜誌則評價說：「偉大發明所能帶來的影響，在當時那個年代都是難以預測的，1750年的蒸汽機如此，1450年的印刷術如此，1950年的晶體管也是如此。而今，我們仍然無法預測，3D列印將在漫長的時光里如何改變這個世界。」理念的革命：3D印表機的基本原理3D列印技術是指通過連續的物理層疊加，逐層增加材料來生成三維實體的技術，與傳統的去除材料加工技術不同，因此又稱為添加製造（AM，Additive Manufacturing）。作為一種綜合性應用技術，3D列印綜合了數字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多方面的前沿技術，具有很高的科技含量。3D印表機是3D列印的核心裝備。它是集機械、控制及計算機技術等為一體的複雜機電一體化系統，主要由高精度機械系統、數控系統、噴射系統和成型環境等子系統組成。此外，新型列印材料、列印工藝、設計與控制軟體等也是3D列印技術體系的重要組成部分。
3D印表機與其製造成型的各種部件，可以看到，3D印表機可以製造形狀極為複雜的零部件。自美國3DSystems公司於1988年推出第一台商品化3D印表機以來，已經有十幾種不同的成形方法，通常將它們分為兩類:第一類是基於激光技術的成形方法，如立體光刻、紙疊層、選擇性激光燒結、選擇性激光熔化等;第二類是非激光技術的快速成形方法，如熔絲沉積、三維列印、掩膜光固化、衝擊微粒製造、實體磨削固化等。立體光刻的成形材料使用液態光敏樹脂。通過計算機控制紫外激光掃描指定區域，將掃描區域的光敏樹脂固化，逐層堆積，製件的性能相當於工程塑料或蠟模。選擇性激光燒結的成形材料使用塑料、金屬、陶瓷等粉末，通過計算機控制激光熔化相應粉末，逐層堆積，製件的性能與成形材料有關。紙疊層的成形材料使用塗敷有熱敏膠的纖維紙，通過計算機控制激光來切割紙的成形輪廓，並壓實粘接到前一層紙上，逐層堆積，製件的性能相當於高級木材。熔絲沉積的成形材料使用固體絲狀工程塑料，通過三維伺服驅動器控制噴頭運動，並擠出熔融的工程塑料，逐層堆積，製件性能相當於工程塑料或蠟模。可以看出，3D印表機本身性能的區別非常巨大，有些能夠成型金屬、陶瓷高硬度部件，有些其實就是只能製造塑料、木製品等生活用品和玩具。中國的選擇：選擇性激光燒結華中科技大學研製的世界最大的3D印表機採用的是善於生產高硬、高熔點金屬部件的選擇性激光燒結技術。擇性激光燒結系統主要由激光源、掃描器、鋪粉機構、預熱裝置和計算機控制系統等部分組成。以各種粉末材料（如石蠟、聚碳酸脂、石英砂、陶瓷以及金屬等粉材）為加工對象，因其選材廣泛、不需特殊支撐、材料可重複利用、工藝簡單等特點而得到廣泛應用和快速發展。整個工藝裝置由粉末缸和成型缸組成,工作時粉末缸活塞(送粉活塞)上升,由鋪粉輥將粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均勻鋪上一層,計算機根據原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡,有選擇地燒結固體粉末材料以形成零件的一個層面。粉末完成一層後,工作活塞下降一個層厚,鋪粉系統鋪上新粉,控制激光束再掃描燒結新層。如此循環往複,層層疊加,直到三維零件成型。最後,將未燒結的粉末回收到粉末缸中,並取出成型件。對於金屬粉末激光燒結,在燒結之前,整個工作台被加熱至一定溫度,可減少成型中的熱變形,並利於層與層之間的結合。
選擇性激光成型技術的原理圖該大學還在2005年自主研製成功了國內第一台選擇性激光融化技術試驗樣機。選擇性激光燒結與融化的主要區別是：在金屬粉末間接燒結過程中,成形材料一般由高熔點與低熔點兩種粉末組成，當激光束選區掃描時,高熔點粉末並不熔化,作為結構材料,低熔點粉末熔化,起粘結作用；而融化技術則是在高能激光束的作用下,金屬粉末在熔池及其附近部位以遠高於周圍區域的速度被急劇加熱,並瞬間局部熔化，再進行成形，相當於一次激光冶煉、結晶生長和成型過程。優勢：吻合軍事工業的發展要求與3D列印的其它方法相比,選擇性激光燒結最突出的優點在於它所使用的成型材料十分廣泛。從理論上說,任何加熱後能夠形成原子間粘結的粉末材料都可以作為SLS的成型材料。目前,可成功進行選擇性激光燒結成型加工的材料有石蠟、高分子、金屬、陶瓷粉末和它們的複合粉末材料。由於選擇性激光燒結成型材料品種多、用料節省、成型件性能分布廣泛、適合多種用途以及選擇性激光燒結無需設計和製造複雜的支撐系統,所以應用越來越廣泛。選擇性激光燒結技術的特點歸納起來主要有以下幾點:1.過程與零件複雜程度無關,是真正的自由製造,這是傳統方法無法比擬的；選擇性激光燒結與其它3D列印技術不同,不需要預先製作支架,未燒結的鬆散粉末作了自然支架，可以成型幾乎任意幾何形狀的零件,對具有複雜內部結構的零件特別有效。這一特點格外適合製造複雜的鈦合金結構部件，具有複雜內部冷卻通道的航空發動機渦輪葉片，內部材料和結構複雜的坦克裝甲等等武器關鍵零部件。這會極大地降低複雜武器裝備的生產成本，對於我國這樣的新興工業化國家具有重大戰略價值。
選擇性激光燒結技術製造成型的航空輕型2.產品的單價幾乎與批量無關,特別適合於新產品的開發或單件、小批量零件的生產；這一點對於研製周期長、成本高、風險大的武器裝備和複雜工業產品來說，具有極高的應用價值。眾所周知，武器裝備的原型機、樣機製造和試驗是一個較為複雜、充滿風險的過程。由於產量極小，一般為個位數，武器原型機和樣機無法依託批量生產線來製造，只能採用零散生產部件再人工組裝的方式，成本高、周期長。而且一旦在試飛、試射等試驗過程中，原型機或樣機損傷或者墜毀，由於財力和物力的限制，無法對其進行再次生產和組裝，一個武器型號可能就會因此而夭折。我國國防工業類似的例子比比皆是。而選擇性激光燒結的部件生產成本與生產批量無關，這就大大改善了傳統生產方式的問題，甚至可以挽救一個重大武器型號的前途與命運。
布雷德利戰車火炮瞄準器的感測器支架已經採用3D列印技術來製造了。3.生產周期短,從CAD設計到零件的加工完成只需幾小時到幾十小時,整個生產過程數字化,可隨時修正、隨時製造。這一特點使其特別適合於新產品的開發。由於武器裝備發展新技術應用越來越多，未經充分驗證的新技術往往具有性能、可靠性、耐久性上的不確定性，需要經過反覆的設計-生產-試驗-失敗-修改設計-再生產-再試驗的周期。如果一型裝備到了研製過程的中後期，例如原型機試驗、技術鑒定階段才暴露重大技術問題，就可能導致型號的下馬或者研製周期的極大延誤。而選擇性激光燒結技術可以邊研製、邊設計、邊生產驗證，一項新技術在裝備的應用過程中，在短時間內就可以進行大量的驗證性試驗，極大的改善了武器裝備研製的周期長、風險大的問題。
用於新一代戰鬥機的鈦合金結構部件採用傳統的模鍛結合機加工的辦法，十分費時費力，而且原材料存在大量浪費。4.材料範圍寬,任何受熱粘結的粉末材料都有被用作選擇性激光燒結原材料的可能性。材料無浪費,未燒結的粉末可重複使用。傳統的機械加工技術是在原材料坯件基礎上進行某種形式的切削、擠壓等操作，從而把多餘的原料去除，最終加工出所需的部件形狀。但是在這個過程中，原材料就會出現損失，而且越是昂貴的合金就越難進行回收利用，提高了生產成本、浪費了寶貴的資源，例如新一代戰鬥機的鈦合金加工過程就要損失大量昂貴的航空鈦合金。而選擇性激光燒結技術不存在材料的浪費，在任何部件生產過程中，所使用的粉末都變成了部件本身，而沒有被使用的粉末，依然可以繼續使用。這對於先進武器裝備的成本降低具有很大的經濟價值。在自然資源匱乏的今天，能夠使用更少的資源製造出更多、更先進的武器裝備是一個軍事強國可持續發展的核心競爭力。
正在進行三維數字設計的槍械零件，目前美國已經可以直接列印出完整的槍械，而且可以使用。3D列印技術是指通過連續的物理層疊加，逐層增加材料來生成三維實體的技術，與傳統的去除材料加工技術不同，因此又稱為添加製造（AM，Additive Manufacturing）。現狀與未來選擇性激光燒結工藝最初是由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的Carl Deckard於1989年在其碩士論文中提出的。後美國DTM公司於1992年推出了該工藝的商業化生產設備SinterSation。幾十年來,奧斯汀分校和DTM公司在SLS領域做了大量的研究工作,在設備研製和工藝、材料開發上取得了豐碩成果。德國的EOS公司在這一領域也做了很多研究工作,並開發了相應的系列成型設備。在國內,也有多家單位進行SLS的相關研究工作,如華中科技大學、南京航空航天大學、西北工業大學、華北工學院和北京隆源自動成型有限公司等,也取得了許多重大成果,如南京航空航天大學研製的RAP-I型激光燒結快速成型系統、北京隆源自動成型有限公司開發的AFS-300激光快速成型的商品化設備。
華中科技大學開發的 HRPM 系統主要性能參數
華中科技大學開發的 HRPM 系統成型材料是選擇性激光燒結技術發展和燒結成功的一個關鍵環節,它直接影響成型件的成型速度、精度和物理、化學性能,影響成型工藝和設備的選擇及成型件的綜合性能。因此,國內外有許多公司和研究單位加強了這一領域的研究工作,並且取得了重大進步。與快速成型設備的研究相比,我國快速成型材料及工藝的研究相對滯後,目前還處在起步階段,與國外相比存在較大差距。雖國內有多家研究開發單位對選擇性激光燒結材料和工藝進行了研究開發工作,但還沒有專門的成型材料生產和銷售單位。實現使用高熔點金屬直接燒結成型金屬零件,對傳統切削加工方法難以製造出高強度零件以及對快速成型技術更廣泛的應用具有重要意義，尤其是在航天器件、飛機發動機零件及武器零件的製備方面。希望我國政府對於相關科研單位加大政策扶持力度，對這項關係到國防安全、工業實力的關鍵技術予以足夠的重視。
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