1、 技术与创新 2023 年 第 8 期 总第 221 期 造纸装备及材料102粉末床融合技术的工艺原理及应用徐皓捷，袁新林常州大学，江苏 常州 213159摘要：3D 打印技术是一种新型的增材制造技术，其成型速度快，结构限制小，促进了工业设计行业的发展。文章具体分析了粉末床融合技术中的激光烧结技术、纳米喷射技术、粘接喷射技术，探讨每种技术的基本原理及在汽车部件制造、医疗、电子等领域的具体应用。关键词：3D 打印技术；粉末床融合技术；工业设计；激光烧结技术；纳米喷射技术；粘接喷射技术分类号：TP391.73D 打印技术，是一种以数字模型为基础的制造技术，通过逐层堆叠材料形成所需工件。其广泛应用于
2、航空航天、汽车制造、玩具生产等各个行业。3D 打印技术的主要优势在于可生产各种非标准造型件，大大降低生产时间和成本，省去开模步骤，十分适用于小批量和急需交付的原型制造需求。该技术以产品的三维数据为基础，通过将其切片为具有高度参数的二维平面坐标，逐层累积形成符合三维尺寸要求的打印工件1。3D 打印技术中的粉末床融合技术速度快、精度高，可用于生产金属、尼龙等材料的零部件。粉末床融合技术包括激光烧结技术、纳米喷射技术、粘接喷射技术。文章将以粉末床融合技术为主要内容，详细介绍其技术分类及在产品开发中的应用，探讨这些技术对行业的发展影响。1 激光烧结技术1.1 激光烧结技术介绍激光烧结技术包括直接金属激
3、光烧结（DMLS）和选择性激光熔化（SLM）。其中，DMLS 是一种增材制造技术，利用高能激光束将材料熔接在与三维模型一致的基质中，形成局部印刷材料。该制造工艺将金属粉末熔化并逐层堆积，使得零件的物理结构特征非常坚固且表面密度有序。目前广泛应用于核能、航空、汽车等领域2。SLM 则是另一种快速成型技术，可直接制造几乎全密度的金属零件。与激光选择性烧结相比，SLM 更容易用于金属零件的生产。SLM 技术使用激光在特定温度下熔化金属粉末，并在每层扫描后进行冷却固化。由于 SLM 技术需要达到较高的温度，对激光发射器的能量有特殊要求，通常要求能量密度超过 106 W/cm2。1.2 技术应用1.2.
4、1 汽车刹车卡钳制造3D 打印技术在制动器制造领域有着十分重要的应用。汽车研发领域，车辆部件轻量化一直是各大车企追求的目标。为了减重，在制动器设计之初就采用了大量的镂空设计，需要采用刚性更优异的材料，因此钛合金就成了首选。但是相比铝合金来说，钛合金切削加工难度大，这种特殊制动器结构采用铸造的方式也很难生产出来，采用 3D 打印的方式来进行制动器的生产制造是不二之选。3D 打印中最常用的技术就是 SLM 技术，该技术的制作致密度可达 99%以上。在汽车刹车卡钳制造过程中，需要打印堆叠 2 213 层熔化的粉末，共耗时 45 h。之后制动器还需经过热处理和化学处理以加强其分子结构刚性，表面打磨和螺
5、纹加工也需要一台五轴铣床工作 11 h 才能完成。3D 打印制造的制动器质量为 2.9 kg，比原产品减重 40%以上，拉伸强度高达 12.5 t/cm2。经过测试该制动器在 400 km/h 的制动条件下，温度超过了 1 000，依然存在很强的制动力，其刹车热衰减能力强，耐热能力强，这也很直观地体现了 3D 打印技术在汽车零部件制造领域的优势，为汽车部件的特殊轻量化结构设计的量产成为可能3。1.2.2 注射模具生产3D 打印技术广泛应用于模具生产领域。使用 3D打印技术改进模具，缩短了产品生产周期，提高了产文章编号：2096-3092（2023）08-0102-03*作者简介：徐皓捷，男，常
6、州大学硕士在读，研究方向为工业设计。通信作者：袁新林，男，硕士，教授，研究方向为产品设计。造纸装备及材料 第 52 卷 总第 221 期 2023 年 8 月 技术与创新103品的成品率。由于 SLM 技术是逐层累积成型，因此在设计中考虑了无支撑角度、壁厚和内腔通道尺寸等设计参数，计算机仿真验证了执行的可行性4。工件被加热至 70 随后回火冷却至 20，以模拟在注塑过程中 TPE 材料的冷却过程，通过对工件表面温度的监测，发现喷泉型和粗螺旋型的腔体设计具有最佳的冷却性能。由此可见，SLM 技术在模具生产与实验验证领域具有十分重要的作用，快速成型和特殊结构的制造解放了制造业工艺技术的限制，也为企
7、业加快了产品的研发周期。2 纳米喷射技术2.1 纳米喷射技术介绍纳米颗粒喷射技术原理与普通的 2D 打印机类似，其结构也类似于喷墨打印机，通过喷墨系统的 x、y 轴移动，将含有悬浮纳米颗粒的液体喷射在打印平台上，每一层的材料叠加都通过平台下移一个单位来实现5，由于液体在经过高温平台时就会蒸发从而留下纳米颗粒，高温的平台又会使纳米颗粒重新凝结形成工件，如图 1 所示。图 1 纳米喷射技术示意图2.2 纳米喷射技术的工作流程（1）将印刷平台表面加热至 250，目的是蒸发含有纳米颗粒的液体，使纳米颗粒粘附在印刷平台表面。适当的温度也可以提高纳米颗粒的粘附性，从而确保打印完成的质量。（2）打印机的打印
8、头由数千个墨水孔组成，这些墨水孔将释放含有纳米颗粒的液体，并将纳米颗粒沉积在打印平台上，极细的喷嘴可显著提高打印件的打印精度。（3）在印刷过程中，一旦液体与印刷平台接触，纳米颗粒液体蒸发，留在印刷平台上的纳米颗粒将在热作用下黏合在一起6。（4）在印刷一层之后，打印平台将下降一个单元的厚度，为下一个打印层留出空间。重复操作，直到打印完成。（5）印刷完成后，将工件取出进行后处理，如去除支架、高温烧结、改善特性、抛光等。2.3 纳米喷射技术的优点纳米喷射技术的打印分辨率高，由于采用喷头的孔径十分小，可以打印尺寸较小的产品，进行最小层厚为 10 m 或精度为 25 m 的极高精度打印7。同时相比于 S
9、LM 技术来说，纳米颗粒喷射技术对打印的环境要求不严格，打印的零件可以回收利用进行下一次打印。2.4 应用领域2.4.1 医疗领域随着科学技术的发展，医学研究越来越受到人们的重视。在许多医疗领域，一些特殊消耗品的使用量非常小，并需要通过测量单个三维数据进行专门定制。因此，传统制造技术增加了医疗成本。随着医疗产品对精度的要求越来越高，纳米喷射技术已成为理想的制造技术之一。该技术的最大优势在于它可以直接生产特殊产品，无须预制。在医学领域，纳米粒子注射技术目前用于修复和替换硬组织，在牙科和骨科领域应用广泛8。2.4.2 电子产品领域如今，电子产品的更新周期越来越快，这意味着制造商必须加快研发生产。3
10、D 打印机可以在几个小时内制作 PCB、天线、电容器、传感器等电子部件的原型。这使设计测试可以更快、更频繁地进行。印刷电子产品不是新概念。近年来，2D 印刷技术（喷墨印刷、丝网印刷等）一直用于电子零件的生产。而 3D 打印技术可以帮助工程师打印制造整个电路。相信在不久的将来可以批量进行电子产品的 3D 打印生产9。2.4.3 电气连接领域电气连接是电子系统的一个组成部分，是一种连接两个或多个开关元件的结构。目前生产多层互连电路的程序有一些局限性，直接在 PCB 和 RF 元件焊盘上打印连接可以解决这些难题。由 Optomec 开发的气溶胶是一种能够在 3D 表面上打印连接线路的技术。打印机将小
11、材料快速注入并粘在基板上。打印过程在温室下就能进行。目前已经使用这种方法生产了镓半导体。研究人员在基于砷化镓的微波单片集成电路（MMIC）上进行了三维印刷介质涂层和桥环互连。印刷后，对制造的器件进行测试，MMIC 在严酷的环境中表现较为稳定，这说明了 3D 打印的 MMIC 器件可以 技术与创新 2023 年 第 8 期 总第 221 期 造纸装备及材料104正常使用10。2.4.4 电容器领域电容器是在电子电路中储存能量的装置，可用 3D打印进行生产。3D 打印可以把电容器打印在电路板上，可以减少耗时和复杂的组装过程，并减少 PCB 的占用面积。同时具备诸多优势，包括更短的轨道、更宽的带宽、
12、更快速的信号和极小的噪声。近期，嵌入式 3D 压力电容器已经被成功开发。通过设计文件中的位置参数，从基板逐层沉积材料。经测试发现组件之间的差异小于 1%。表明高频传输线、音频处理、无线电接收和电路控制所需的电容器可以通过纳米喷射技术获得。2.4.5 射频部件领域3D 打印机也可用于射频部件的生产。通过 3D 打印进行电路制作，随后焊接部件到主板上。通过比较，3D 打印的射频部件表现出和传统制作射频部件相似的工作参数，这证明了 3D 印刷电子产品在射频电路中的可行性。3 黏结剂喷射技术3.1 黏结剂喷射技术介绍黏结剂喷射技术是以粉末床为料槽的增材制造技术，与纳米喷射技术不同的是，该技术中喷墨打印
13、头喷出的不是含有纳米颗粒的液体，而是喷射黏结剂，将粉末床里的材料进行黏结，通过单位高度的变化，又将每一层的粉末进行黏结，使每一层都融为一体，层层叠加形成工件的基本形状。黏结剂喷射技术应用金属材料和陶瓷材料时，工件打印结束后需要放入高温设备去除黏结剂，同时进行冶金结合。该工艺的技术的优势在于成型效率高，应用广泛且灵活，适用于多种材料，新材料开发相对简单。相较激光烧结技术，黏结剂喷射技术可以处理难以吸收激光能量的材料，如具有强表面反射或导热性的材料，避免控制熔化范围的难题。其加工工件精度高、表面光滑，设备成本低。黏结成型技术为制造复杂材料和结构提供了独特解决方案。3.2 黏结成型技术应用3.2.1
14、 全密度金属直接成型当使用黏结成型技术印刷金属零件时，金属粉末通过黏结剂与高分子材料黏结在一起，形成工件。将工件取出放入烧结设备中，这将获得烧结后的成品金属工件。烧结过程结束后的产品密度并不高，因此对于高密度成品的生产，低熔点合金（如铜合金）将在烧结过程中渗透在零件中。3.2.2 砂模铸造成型黏结剂喷射技术制造金属时还有一种方式即通过打印制造工件模具来生产，这种方式的原理和铸造相似，铸造时模具通过黏结成型技术生产出来，之后的步骤就和传统的铸造方式一样，这样就能够得到符合力学要求的工件，这种制造方式不仅有增材制造可生产复杂结构工件的特点，又能通过传统铸造生产出符合要求的工件，是不同生产技术完美结
15、合的最好诠释。4 结束语3D 打印是一个不断发展的行业，正在改善我们的生活和现代经济。越来越多的行业使用这种技术来制造更好的产品。3D 打印技术在不断向着更快，更高精度，更大尺寸的方向发展着，也相信在未来这项技术能更好地应用在更多行业，更多制造技术，从而大幅降低开发成本，提高开发效率，制造更多更好的产品。对于打印所用的材料来说，目前可用的材料并不多，塑料占据着较大比例，就目前的技术而言，金属材料的打印成本较高，所用的材料也较少，对打印的环境也有较高的要求。随着科技的不断创新，相信在未来也会研发出新的更好的技术来进行互补，新的技术和新的材料制造工艺也将给各个行业带来更加积极的影响。参考文献1 寇
16、明权.3D打印铝合金材料的非线性超声检测技术研究D.重庆:重庆大学,2022.2 胡宜帆.基于SLA-3D打印的铁氧体磁性陶瓷制备技术研究D.济南:山东大学,2022.3 张世成.混凝土模块机器人3D打印技术研究D.北京:北京石油化工学院,2022.4 徐文.3D打印碳纤维增强绿色混凝土制备与性能研究D.北京:北京科技大学,2023.5 张俏,陈万新,高小庆.基于FDM成型技术的3D打印工件机械性能及质量研究J.造纸装备及材料,2023,52(2):19-23.6 顾力文,阮艳雯,李浩.基于柔性选择性激光烧结3D打印技术的服装研发J.纺织学报,2023,44(4):154-164.7 郑幼菊.3D打印技术在模具制造中的应用研究J.造纸装备及材料,2023,52(4):112-114.8 吴旭鹏,方玉明,费宏欣,等.柔性压力传感器成型技术及制备工艺研究进展J.微电子学,2023,53(2):295-303.9 张兴,韩俊,袁玉冰.应用激光测距技术的3D打印喷头轨迹跟踪方法J.激光杂志,2023,44(6):194-198.10 张仕颖,夏国峰,郝向阳,等.FDM型金属3D打印研究现状与展望J.特种铸造及有色合金,2023,43(2):163-168.
