3D打印钛合金锻件棒材的原理、材料及应用

引言

3D打印钛合金技术相较于传统的零部件制造，有着极高的效率与精准性，在实际的生产过程中，不需要使用任何模具，也不需要使用刀具进行切割，降低了投入的成本，符合现阶段社会发展的需求，并且在各行各业都有着广泛的应用前景。

1、3D打印技术原理

3D打印技术的原理有三个方面。首先便是软件建模，利用 CAD 与 PE 等各种建模软件可以设计出大部分零部件，3D建模的质量也变得越来越精细。其次便是零部件模型的分层，具体原理便是将三维物体的数据通过信息化技术转化为二维的数据，3D打印技术可以对一个完整的三维模型进行多个层次的划分与切割，并将其以二维数据的方式进行记录、设计。在实际的3D打印过程中，对一个完整的三维模型划分与切割的层次越多，所打造出的零部件尺寸准确度就越高。在实际的打印过程中，更要重视打印的材料[1]。

2、3D打印技术在我国的现状

2.1 以高校为核心研发3D打印技术

在我国依托于高校为核心建立的3D打印技术研发体系，已经为我国研发出了大量的先进3D打印技术，甚至一些特殊的3D打印技术水平，已经达到了世界的技术水平前列。这种以高校为核心的技术研发体系，促进了我国3D打印技术的发展。因此为了更好地推进我国3D打印技术的发展，我国应该加强对于高校的研究资金投入，来帮助我国高校研究所的发展，培养一批优秀的3D打印技术型的高质量人才，以此来达到推进我国工业化进程的目的。

2.2 以3D打印技术为基础构建产业市场

因为我国高校研究中心以及国家和社会的科学研究所的不断努力，我国已经构建起了一定规模的3D打印产业市场，目前已经涌现出多家以3D打印技术为核心的企业。虽然现阶段我国3D打印技术的应用规模较小，但是随着我国对3D打印技术的不断推 广与应用，先进的3D打印技术会帮助我国开发更大的产业市场，并在世界零部件生产、销售市场中占据大量的份额。

2.3 金属3D打印技术领先地位

我国对3D打印技术的研发也给予了高度的重视，因此我国的3D打印技术不断完善与进步，我国也攻克了不少高性能金属零部件3D打印制造的难题，使得我国在金属3D打印技术中位居全球的领先地位。我国领先的金属3D打印技术可以帮助我国在和他国进行零部件产品竞争时始终处于领先地位，增强了我国的经济竞争实力，促进了我国经济规模的扩大，帮助我国实现中华民族的伟大复兴[2]。

3、熔融式3D打印

随着3D打印技术的快速发展，各种3D打印技术陆续出现，但是熔融式3D打印，仍然是最适用于目前零部件制造的一项3D打印技术。熔融式3D打印在实际的工作中，可以帮助我们解决面对各类模型时的困难，解决实际的技术要求难点，以便我们可以更 好地打印出合格的零部件模型。

3D打印技术大量走向国际市场，但是由于受工艺技术和材质、价格等多方面的因素，现在应用得最为普遍的3D打印技术，就是熔融式3D打印技术[3]。

4、熔融式3D打印的原理

熔融式3D打印机工作的基本原理并不复杂，首先进行加热处理，使此处的打印机物料头与喷丝板达到熔化状态，在到达一定温度以后，及表明打印机工作即可进行。然后将零部件的3D模型相关文件资料导入，依靠于计算机技术来管理熔融式3D打印机的工作，使喷丝头沿着一种特定的轨迹进行移动，在工作中提高喷丝头的热度，将熔化后的打印材料，拼组到打印版上，通过喷丝头的移动来完成层层的3D打印，最终得到完美的零部件模型。

5、制作熔融式3D打印机的常用模型技术

熔融沉积工艺在3D打印机的各类工艺中使用得最普遍，但在部分模具制造中仍面临着许多技术难题和自身局限。通过熔融式3D打印机，可以经过反复试验检测，考察打印效果，剖析打印问题，并总结出熔融式3D打印机在制造部分模具时，必须注意技能的 使用要领[4]。

5.1 设计打印底座

在打印之前，首先需要设计和绘制模型图纸，以此来制造打印机的底座，打印的底座最大的好处是当打印模型初始面不规则平整时，可以使模型拥有支撑的能力，确保在打印过程中不会出现歪斜的情况。在实际的打印过程中，初始打印面过小时，打印机会自 动进行识别、打印底座，但自动打印的模式会使底座存在部分缺陷。在部分模型中，打印机自动设计的底座会与模型紧密相连，在完成打印之后，无法对其进行分离，最终使得打印出的模型报废，无法使用。

5.2 了解打印材料的剩余量

在打印常用模型的时候，还要考虑模型的尺寸规格大小等基本条件能否满足现在的打印机需求。因为一旦模型的规格过大，而在打印机中剩余的打印机材料又不够，就会产生了打印机的模型不够完全，而无法进行印刷的现象，这最终会导致模型化无法实现。

必须在从头放入的印刷材料中预热之后进行印刷，因为这不仅损坏了材料，而且还浪费资源。最好的方法是对于打印机进行设置，检测打印的材料是否足够进行完整的模型打印，这样当打印材料不足时，可以在打印前发现问题。

5.3 设置公差

为某些特殊的零部件设定必要而合理的公差。在某些特殊模具的制造过程中，因为材质的影响以及与打印机可能产生的偏差等问题，对这些模具进行了打印，但在最后完成时可能会导致模具无法达到现实中的使用条件，从而产生问题。尤其是在像机械这一类 的重要零部件中涉及到的配合时，比如当打印一个螺孔时，按实际要求打印，会导致打印出来的螺孔出现比实际要求更大的情况，无法达到使用要求。因此对于这类零件需要设置一定的公差，使得最终打印出来的模型达到使用要求。

5.4 调整打印方向

在打印零部件模型之前，需要确定所打印零部件的打印面，根据零部件不同的形状与大小，来选择最优的打印初始面，选择的打印初始面不同，会导致最终的零部件质量有着很大的差别，打印一个长杆的零部件模型时需要选择横着进行打印，如果选择立着打印，会导致因为技术原因，打印机会自动建立各种支撑，使得最终零部件在成型之时发生严重的变化。因此在实际的3D打印中，需要调整合理的打印初始面，确保零部件模型重心较低，才能打印出最优的零部件[5]。

6、熔融式3D打印高分子材料分析

6.1 高分子丝材

ABS 材料拥有强度高、弹性好、耐冲击和易于机械加工等优势，而且 ABS 同时还拥有优异的热绝缘性及其耐腐蚀性，并且能够在非常低的工作温度下保持其表面上色的能力。在当前的行业中都具有广阔的使用前景，同时 ABS 也是 FDM 中最为普遍的使用材质，在以 ABS 为主要材质的熔融式3D打印流程中，所生产出的零件产品质量较稳定且硬度高、韧性好，不过由于 ABS 材质存在着很大的热收缩性能，使得最终的零件成品出现了变化，表面会出现上翘，并且还会有异味散出。

6.2 光敏树脂

为了更好地使光敏树脂达到充分凝固的状态，保证最后的零部件产出可以保证其良品率，因此采用光敏树脂制造零部件，需要采用精度很高的熔融式3D打印设备。目前世界上各个发达国家都在研究怎样将PC 真正应用到商业用途，但因为目前可采用的熔融 式3D打印材料过少，酸酐、PUA、乙烯基酯 PC 树脂材料三者里面，酸酐粘度适中，特别利于熔融式3D打印成形。

7、熔融式3D打印技术的应用

熔融沉积式塑型的3D打印机加热时喷嘴将是受到由电脑进行温度控制的，而其所打印的材质主要是为丝状的热塑性高分子，原料将会被由一个牵引轮的装置所直接的送入喷嘴，在进行升温以及软化并且熔化之后，由喷嘴所挤出来的粘结一直到达了工作台 表面，接着就在上面快速的进行了冷却以及固化，当每一层的截面完成之后工作状态就将在上面下降一层的位置上，然后再在下面继续下一层的造型，如此进行了多次，一直到最后实现了整个实体的造型，并且每一层的厚度要根据由喷嘴所挤出丝的孔径多少 来进行确定的。

8、熔融式3D打印技术对于零部件制造的优势

随着计算机科学技术的不断发展，熔融式3D打印技术也逐渐在零部件制造过程中起到了非常大的作用，相对于传统的零部件制造工艺有着十分明显的优势。

8.1 节约零部件制造周期时间

熔融式3D打印技术的使用能够在极大程度上缩短了零件生产的周期时间，因为熔融式3D打印技术能够将以往传统的零件设计中从生产到制作的整个流程，统一缩略为电脑中的三维设计模式，从而取消了传统零件生产流程中的人工设计、调整加工等各 种繁琐的程序。同时，利用计算机技术能够对零件生产工艺进程做出更有效的调控，从而实现零件制造的智能化、精密化、高效化，从而充分提升了我国零件的生产效益。

8.2 降低零部件制造成本

相对于传统的零部件制造工艺来说，熔融式3D打印技术可以很大程度上降低制造成本，帮助企业达到利益最大化。虽然由于技术水平等因素的限制，目前熔融式3D打印技术仍需要一些特殊的金属原材料和特殊的打印设备，会导致最终生产的零部件制造 成本较高，对于个别特殊的零部件也无法打印，但是与传统的零部件制造投入的资金相比，仍具有较高的回报率。同时，由于传统的零部件制造过程会产生大量的废品，而利用熔融式3D打印技术制造零部件，可以帮助技术人员灵活地使用各种打印方式，有效降 低了前期对零部件大量更改造成经济成本的损失。

8.3 提高更多可能性，加快零部件产品研发

熔融式3D打印技术可以在计算机中进行对三维物体模型的直接生成，可以有效降低因前期无法确定所制造的模具是否符合要求而造成的经济损失。随着我国对熔融式3D打印技术的不断重视以及资金的大量投入，使得我国适用于熔融式3D打印技术的原材料愈加丰富，熔融式3D打印机的功能也开始变得越来越多，为我国各行各业的发展都提供了非常大的帮助。同时熔融式3D打印技术也可以帮助我国的零部件设计人员提供更便利的设计平台，帮助设计人员对零部件不同部位的试用进行实验、分析，来研发 出更符合要求的标准化产品。

8.4 实现零部件定制化模式

利用熔融式3D打印技术不仅可以缩短零部件制造的生产周期，帮助企业达到利益的最大化，摆脱了传统零部件制造工艺的高成本化、低效率化等缺点，使得企业可以打造出更多元化、个性化的零部件。熔融式3D打印技术定制化的特点可以为我国的航天、医疗、教育等行业提供更加定制化的零部件，来促进我国工业化进程的发展。实现零部件定制化模式可以生产出航天所需求的特殊零部件、专业的医疗零部件，还可以制造出定制的三维立体教学模型，满足社会上各行各业定制化的生产需求。

9、结语

3D打印技术对于我国各行各业的发展都有着十分明显的促进作用，未来我国的3D打印技术更应该不断地去进行创新、改造。3D打印技术有可能成为未来第三次工业革命的源头，随着各种新型的3D打印材料及设备的不断发展，其应用领域也将越来越广阔。

参考文献

[1] 张学军，唐思熠，肇恒跃，等.3D打印技术研究现状和关键技术[J].材料工程，2016，44（2）：7.

[2] 吴春亚，吴佳昊，吴喆冉，等.生物3D打印技术的新研究进展[J].机械工程学报，2021，57（5）：19.

[3] 李腾.再生细骨料混凝土在3D打印建造中的应用[D].武汉：华中科技大学，2017.

[4] 杨云.3D打印技术研究现状和关键技术概论[J].科学与信息化，2020（13）：2.