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快速成型技术论文作业三维打印成型技术最新研究进展姓名：杜延辉学号：1000404040专业：材料成型及控制工程院系：机械工程学院2013年10月27日摘要采用三维打印成型工艺和反应熔体渗透工艺相结合制备复合材料，可在较大范围内设计材料成分和微结构，并可近尺寸制备复杂形状的部件。该方法为航空领域热结构部件的设计和制造提供了新途径。关键词三维打印成型材料三维打印成型工艺的最新研究进展与成果三维打印成型是一种快速原型技术，可将计算机设计的三维模型构建成三维实体。采用三维打印成型工艺和反应熔体渗透工艺相结合制备复合材料，可在较大范围内设计材料成分和微结构，并可近尺寸制备复杂形状的部件。该方法为航空领域热结构部件的设计和制造提供了新途径。采用三维打印成型工艺和反应熔体渗透工艺相结合制备复合材料，可在较大范围内设计材料成分和微结构，并可近尺寸制备复杂形状的部件。该方法为航空领域热结构部件的设计和制造提供了新途径。三维打印成型工艺三维打印（ThreeDimonsionPrinting,3DP）是一种快速原型技术，可将计算机设计的三维模型数据分为层片模型数据，将特定原材料一层一层堆积成型直至完成整个实体的构建。三维打印后埋在粉体中的三维打印部件。3DP成型具有成本低、工作过程无污染、成型速度快等优点，目前多应用于多孔陶瓷过滤件和医学工程等领域。其中，采用间接三维打印工艺可以控制多孔陶瓷的细观孔隙分布。通过控制打印粉体的预处理工艺，即可调节粉体粒径及粒径分布等参数。调节打印工艺参数（如粉体层厚度和打印液的流变参数），即可改变打印部件的精度、孔隙率、孔隙分布和表面粗糙度等。可通过预烧结等工艺达到提高多孔陶瓷坯体强度和形状稳定的目的。3DP已被证明可以制造各种由金属、陶瓷和聚合物材料组成的复杂形状部件。与聚合物基材料不同，采用三维打印工艺制造金属和陶瓷部件仍然处于研发阶段，需要找到新材料和新方法克服现有工艺的不足。3DP的工艺特点为粉体颗粒堆垛并由粘结剂粘结在一起，3DP坯体的孔隙较多，这导致3DP部件的强度较低。为了提高3DP材料的强度，需要采用后处理工艺，其中常用的后处理工艺为烧结工艺，其烧结温度需要一临界值，既保证提高材料密度又不改变材料组织结构和部件外形结构。但是，烧结后的材料线收缩率很大，例如采用3DP工艺制备的致密Inconel718部件体积收缩高达19.5%～21.5%[3]。对于陶瓷基材料，制备致密部件尤其需要采用合适的后处理工艺，这是近几年研究的一个难点。本文将重点介绍采用三维打印工艺制备新型陶瓷基材料的研究状况。三维打印成型设备的最新产品与技术情况（一）三维打印机的种类。目前有多种快速成形设备被称为三维打印机,但它们在成形原理上却有所差别。三维打印机的成形原理主要有以下几类。1)最早出现的三维打印机是基于MIT的专利,工作方式类似于喷墨打印机,成形时先在工作平面上铺一层粉末材料,喷头对分层截面区域喷洒粘接剂,将材料粘接在一起,完成一层后,工作台下降一个层高,进行下一层的成形,如此往复直至完成零件。采用这种成形方式的主要有ZCorporation公司的ZPrinter系列和ExOne公司的R系列三维打印机,此类成形机能够使用的材料种类比较多,包括石膏、塑料、陶瓷和金属等,而且还可以打印彩色零件,成形过程中没有被粘接的粉末起到支撑作用,能够成形内部具有复杂形状的零件。这类成形机通过采用多打印头和喷嘴来提高成形效率,如ZPrinter450成形机具有2个打印头(604个喷嘴),成形速度为2～4层/分钟,层厚为01089～01203mm,分辨率为300×450dpi,成形尺寸为203mm×254mm×203mm。2)采用喷头直接喷射热塑性材料成形是另一种具有代表性的成形方式,如Solidscape公司的T系列成形机和3DSystems公司的ProJetTMCPX3000成形机。这种方式需要单独的喷头来喷射支撑材料在成形结束后再将支撑去除,成形精度、速度等受喷出微滴尺寸、喷头运动速度等因素的影响。Solidscape公司的T612Benchtop成形机,喷出液滴直径为01076mm,成形层厚为01013～01076mm,喷头运动速度最高为50mm/s,成形工作室体积为30418mm×15214mm×15214mm。3)Objet公司基于其PolyJetTM技术的三维打印机则采用液态光敏树脂材料,在喷头两端装有紫外线灯,树脂被喷洒到工作平面上后,随即被紫外线灯照射固化。该工艺的特点是精度高,每层厚度为01016mm,并可成形厚度小于016mm的薄壁墙等特征。4)Solido公司的SD300三维打印机则采用PVC薄膜层层堆积和切割的方式成形零件,设备大小和普通的喷墨打印机近似,成形尺寸为160mm×210mm×135mm,X2Y方向精度为011mm,Z向精度则受薄膜厚度限制,为01168mm[6]。（二）基于3DP的金属零件制造方法利用3DP技术制造金属零件的方法可以分为间接法和直接法两大类,如图1所示。间接法中的成形材料是非金属材料,需要结合传统的工具、模具技术来制造金属零件。直接法则是采用金属材料来直接成形金属零件。图1金属零件的成形方式分类间接法制造金属零件在间接法中,根据三维打印机采用的成形材料又可以分为三种不同的工艺。1)利用3DP成形件代替传统模具的母模来制作铸型、电极等模具和工具。这种方式可以制作形状较为复杂的模具和电加工工具。2)将3DP与熔模铸造相结合。有的3DP生产商开发了专用于熔模铸造的成形材料和成形机,如ZCorpration公司的ZP14就是专用于制作熔模的材料,该材料由纤维素、特殊纤维和其他添加剂构成,制作的成形件通过浸蜡就可以成为熔模,并可保证在吸收蜡时不变形,而且在加热后的残留物非常少[7]。3DSystems公司的VisiJetCPX200材料成分为蜡,专用于成形熔模铸造的蜡型。Solidscape公司为其三维打印机开发的InduraCast成形材料,是一种熔点为95～110℃热塑性材料,专用于制作熔模[9],图2所示为用该公司三维打印机制作的熔模。InduraCast材料成形的熔模利用3DP可以直接、快速地制造出复杂形状的蜡模,省去了传统的蜡模制造中压型的制造过程,因而可以显著地缩短生产周期,降低成本,这在单件、小批量的生产中显得尤为突出。3)利用3DP直接制造铸模。如ZCorpration公司的ZCast工艺采用了一种由型砂、石膏和其他添加物的混合材料来直接打印出模具和模芯,直接用于有色金属零件的铸造[9]。所示为ZCast工艺成形的铸模。ZCast工艺制作的铸模及零件ExOne公司的ProMetalRCT技术是一种专门制作砂型铸造铸型的3DP技术,成形材料即为型砂,成形件(铸型)不需要进行特别的后处理工序,进行清扫后就可以用于铸造生产。该公司的S215成形机可成形1500mm×750mm×700mm的铸型,速度为75秒/层。而采用ProMetalRCT工艺则可以在一次成形中制作出4个完整的模具和型芯,而所花费的时间仅约48h。图4a所示为燃气轮机的静叶片,这种空心的不锈钢叶片对传统的铸造工艺是一大挑战。图4b所示的发动机进气歧管,采用ProMetalRCT工艺也在5个工作日左右就生产出了铸件。由于成形件(铸模)是根据零件的三维CAD模型直接设计、成形的,不但省去了传统砂型铸造过程中模型、砂芯和砂箱制作,极大地缩短了铸件的生产周期,而且与传统制造过程相比其精度也高。此外,由于成形过程中未被粘接的粉末起到支撑的作用,使得3DP技术可以很容易地制作出用传统方法很难制作的、具有内部复杂流道的铸型。直接法制造金属零件直接法是指采用金属材料来成形金属零件。ExOne公司的ProMetal工艺是3DP工艺成形金属零件的代表性技术,零件的制造过程分为三维打印成形和后处理两个阶段。1)三维打印成形。在工作台面铺一层金属粉末后,由喷头对分层截面区域喷洒粘接剂,粘结金属粉末。完成一层后下降一个层高,进行下一层的成形,如此往复直到完成整个零件。成形结束后得到的零件由金属粉末和固化了的非金属粘接剂组成,称为绿件,其致密度(相对密度)约为60%,不是真正意义上的金属零件,还需要进行后续的后处理工序。2)后处理工艺。将绿件放置在热处理炉中进行加热、烧结。粘接剂被烧掉后的零件称为褐件,由于已没有了粘接剂,褐件是具有很多微小孔隙的零件(孔隙率约40%)。浸渗是一种常用的提高褐件致密度的后处理工艺,即将熔化的低熔点金属,利用微小孔隙的毛细作用渗入褐件内部。例如对不锈钢的褐件进行渗铜,最终获得的零件是由60%的不锈钢和40%的青铜构成。直接法的最大优点是可以直接制作出具有内部复杂结构的金属零件。所示为采用这种工艺制作的模具(已被剖开),模具中的曲线冷却流道是用传统的机加工工艺很难实现的。由于成形件的成分限制,其承载能力不能与100%致密度的金属零件相比,因此仅能用于负载不大的场合,如注塑模具制造、小型铝合金冲压模具。三维打印成型技术用材料研究现状（一）材料选择。目前此技术发展的最大阻碍就在于成型所需的材料，主要包括粉末和粘结剂两部分。1.粉末材料选择从三维打印技术的工作原理可以看出，其成型粉末需要具备材料成型性好、成型强度高、粉末粒径较小、不易团聚、滚动性好、密度和孔隙率适宜、干燥硬化快等性质，可以使用的原型材料有石膏粉末、淀粉、陶瓷粉末、金属粉末、热塑材料或者是其他一些有合适粒径的粉末等。成型粉末部分由填料、粘结剂、添加剂等组成。相对其他条件而言，粉末的粒径非常重要。径小的颗粒可以提供相互间较强的范德瓦尔兹力，但滚动性较差，且打印过程中易扬尘，导致打印头堵塞；大的颗粒滚动性较好，但是会影响模具的打印精度。粉末的粒径根据所使用打印机类型及操作条件的不同可从1μm到100μm［8~10］。其次，需要选择能快速成型且成型性能较好的材料。可选择石英砂、陶瓷粉末、石膏粉末、聚合物粉末(如聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、聚苯乙烯、聚乙烯、石蜡等)，金属氧化物粉末(如氧化铝等)和淀粉等作为材料的填料主体［11~18］，选择与之配合的粘结剂可以达到快速成型的目的。加入部分粉末粘结剂可起到加强粉末成型强度的作用，其中聚乙烯醇、纤维素(如聚合纤维素、碳化硅纤维素、石墨纤维素、硅酸铝纤维素等)、麦芽糊精等可以起到加固作用，但是其纤维素链长应小于打印时成型缸每次下降的高度［9，19，20］，胶体二氧化硅的加入可以使得液体粘结剂喷射到粉末上时迅速凝胶成型。除了简单混合，将填料用粘结剂(聚乙烯吡咯烷酮等)包覆并干燥可更均匀地将粘结剂分散于粉末中，便于喷出的粘结剂均匀渗透进粉末内部。或者将填料分为两部分包覆，其中一部分用酸基粘结剂包覆，另一部分用碱基粘结剂包覆，当二者通过介质相遇时，便可快速反应成型。包覆方法也可有效减小颗粒之间的摩擦，增加其滚动性，但要注意包覆厚度要很薄，介于0.1~1.0μm之间［8，21，22］。成型材料除了填料和粘结剂两个主体部分，还需要加入一些粉末助剂调节其性能，可加入一些固体润滑剂增加粉末滚动性，如氧化铝粉末、可溶性淀粉、滑石粉等，有利于铺粉层薄均匀［23，24］；加入二氧化硅等密度大且粒径小的颗粒增加粉末密度，减小孔隙率，防止打印过程中粘结剂过分渗透；加入卵磷脂减少打印过程中小颗粒的飞扬以及保持打印形状的稳定性等［9］。另外，为防止粉末由于粒径过小而团聚，需采用相应方法对粉末进行分散［25］。2.粘结剂选择。用于打印头喷射的粘结剂要求性能稳定，能长期储存，对喷头无腐蚀作用，粘度低，表面张力适宜，以便按预期的流量从喷头中挤出，且不易干涸，能延长喷头抗堵塞时间，低毒环保等。液体粘结剂分为几种类型：本身不起粘结作用的液体，本身会与粉末反应的液体及本身有部分粘结作用的液体。本身不起粘结作用的粘结剂只起到为粉末相互结合提供介质的作用，其本身在模具制作完毕之后会挥发到几乎不剩下任何物质，对于本身就可以通过自反应硬化的粉末适用，此液体可以为氯仿、乙醇等［26］。对于本身会参与粉末成型的粘结剂，如粉末与液体粘结剂的酸碱性的不同，可以通过液体