快速成型技术的现状和发展趋势(2)

（2）3D打印技术可以使用钛合金等高强度材料。3D打印技术使用的材料主要集中在钛合金、铝锂合金等高强度材料上，生产过程中运用光学原理，打破材料本质的特性，使熔融金属丝沉淀，能满足航空部件化学性质稳定的要求。

（3）3D打印技术结合了电子光学效应。该技术特别是对复杂腔体、扭转体或者薄壁腔体，成型效果优势明显。另外，大功率激光器是3D打印技术中使用的主要设备，激光数字成型技术与电子束相似，但是，比电子束更具实际操作力，在扫描点阵精度上更高，并且能够减少材料的损耗。

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3.3 在航空领域的应用发展

（1

）对产品外形进行验证

随着航空工业的发展，飞机的内部设计和外部形态，都要更加符合飞行的要求。传统的工艺是大型设备或者小的零部件单独制造，而且在制造过程中，产生了结构、角度和材料的浪费。3D打印技术运用数字化系统，通过高柔性操作，将材料进行重新组合，突出产品的外形构造，能够有效规避这样的矛盾。3D打印技术就是无需模具自由成形，在实际应用中，有利于制造出外形奇特的工业产品，例如在盘型零件的制造中，材料利用率能够达到80%，这个锻造能力高于传统的工艺，如表1 所示。

表1 LSF 技术与锻造和铸造技术的综合比较

（2）直接参与产品制造

由于3D打印出的工件在强度、承载力和其他指标上都能满足航空零件需要，因此，3D打印技术具备直接参与产品制造的能力。从当前3D打印技术在航空领域的应用来看，3D打印的零件在军用飞机的研发和生产中得到了重要应用。无论是美国已经服役的F22 和正在研发的F35，还是中国研发的歼20 和歼31，机体中都含有大量的3D打印材料。3D打印技术作为一种新的材料制造技术，已经具备了直接参与产品制造的能力，并且打印出的零部件在整体性能和指标上都能满足实际需要。

（3）制造出陶瓷基符合材料

激光烧结不仅可以制造目前难以制造的金属基复合材料，还能制造难度更大的陶瓷基复合材料，陶瓷材料一向强度高，耐高温，但是材质脆，弹性差，抗拉强抗剪弱，利用纤维增强陶瓷可以最大程度地把陶瓷的高强度耐高温的特性发挥出来又能避免弹性差、抗剪切差的易碎易裂的缺陷，是未来高温材料领域和航空发动机制造领域非常具有前瞻性的技术之一，它是构建推重比超过100 的发动机的主要技术之一，是飞机实现4 马赫以上巡航速度的基础之一。

（4）为航空制造提供更多的复合材料

从上个世纪60 年代起就有人想利用陶瓷作为耐高温的涡轮、发动机气缸、活塞等设备，但这种材料极难熔炼和成形，利用激光烧结陶瓷粉末可以获得各种陶瓷零件，比如普惠与POM 尝试用激光打印直接制造陶瓷的涡轮叶片，甚至尝试一次性直接打印出整级的带环带冠的陶瓷涡轮来。美国GE 则利用纳米粉末进

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行陶瓷粉末和金属粉末混合进行激光烧结，尝试用来制造非冷却或低冷却的涡轮叶片，这一技术有利于制造推重比20～50 的涡轮喷气发动机。结合粉末冶金，3D打印可以在激光烧结中进行一定的材料复合，这为目前停止不前的金属基复合材料发展提供了强心针，在激光打印前铺粉时，铺设纤维在粉层中，可以直接烧结出单向纤维增强的金属基复合材料，这可以极大地提高材料的强度，应用金属基复合材料，可以在现有金属构件的强度基础上将结构重量降低30～50％。 4 快速成型技术的难题和发展方向 任何新技术、新方法都有本身的优缺点,快速原型制造技术也不例外,也存在一些明显问题.因此,目前对快速原型技术的研究重点应集中在以下四个方面:

(1)工艺、方法的改进:

新的快速制造金属零件或工具的方法和工艺。新工艺、新方法的出现势必对未来的实际零件制造产生较大影响，并将迅速成为另一种常规的生产工艺。考虑到我国的实际情况,研究、发展快速原型技术的新工艺、新方法是符合我们国家的具体国情的。虽然从总体上看,由于各种原因,目前国内在快速成型制造（简写RPM）技术的研究水平、RPM应用的广度和深度上,与国外情况相比差距是很大的.但是,笔者认为:国内应把重点放在研制适合我国国情的RP设备,同时,大力开发各种相关的应用技术,并注意示范、宣传推广工作,使之能在包括制造业在内的各有关部门认识、接受并使用.这样,RPM技术在国内才会有广阔的发展前景。

(2)材料种类的限制:

RPM常用的材料有光聚合物(SLA、SGC),塑料(FDM)、纸(LOM)及一些低熔点金属(或蜡),这些材料有些机械性能差,有些价格昂贵,还有些甚至有毒性.所以,研究新的造型材料,使它既有利于快速成型,又有利于后继工序的制作,并把用金属直接作为RP原型材料作为RPM技术的最终(或阶段性)目标。

(3)零件精度:

目前的RPM系统的制造精度大约为?0.1mm,精度不够也在一定程度上限制了它的使用。导致加工精度不高的原因有许多种,其中系统本身的精度、操作者的经验水平、材料自身的收缩、变形,都对零件精度有很大影响。除此之外,切片堆积零件时形成的层与层之间的/阶梯0,也严重影响零件的表面质量。这些都是RP技术急需解决的问题.因此,提高系统本身的精度(特别是Z向的定位精度),研究低收缩率的成型材料以及去除应力等方法,对提高零件精度都非常重要。

因此，下一步研究开发工作主要在以下几方面：

⑴改善快速成形系统的可靠性、生产率和制作大件能力，尤其是提高快速成形系统的制作精度；

⑵开发经济型的快速成形系统；

⑶快速成形方法和工艺的改进和创新；

⑷快速模具制造的应用；

⑸开发性能良好的快速成形材料；

⑹开发快速成形的高性能软件等。

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