什么是3D打印?3D打印制造流程详解

从科幻电影中的“食物打印机”到现实中定制化假肢、航空发动机零件的快速制造，3D打印（增材制造）技术正以颠覆性的方式重塑传统生产模式。它突破了“减材加工”的物理限制，通过逐层堆积材料直接将数字模型转化为实体产品，被誉为“第三次工业革命”的标志性技术。本文将系统解析3D打印的定义、核心原理及完整制造流程，帮助读者全面理解这一革命性技术。

一、什么是3D打印？

1. 定义与本质

3D打印，学术名称为增材制造（Additive Manufacturing, AM），是一种通过计算机控制，将材料（如塑料、金属、陶瓷等）以微层形式逐层沉积，最终构建三维实体的制造技术。其核心逻辑与传统“减材制造”（如车铣刨磨）相反，材料利用率可达90%以上，且无需模具或复杂夹具。

2. 核心优势

• 设计自由度极高：可制造传统工艺无法实现的复杂几何（如内部镂空、随形流道）。

• 快速迭代验证：从设计到原型仅需数小时至数天，加速产品开发周期。

• 定制化成本低：单件与批量生产成本差异小，适合个性化生产（如医疗假肢）。

• 材料利用率高：金属3D打印材料浪费率低于5%，远低于传统锻造（约70%）。

二、3D打印制造流程详解

以金属选择性激光熔化（SLM）为例，完整流程可分为6个关键步骤：

步骤1：三维建模与数据准备

1. 设计模型：使用CAD软件（如SolidWorks、AutoCAD）创建三维数字模型，或通过3D扫描仪获取实物数据。

2. 模型修复：检查并修复模型中的孔洞、非流形边等缺陷，确保可打印性。

3. 切片处理：将模型沿Z轴切割为0.02-0.1mm厚的薄层，生成打印机可识别的G-code文件（包含激光路径、功率、扫描速度等参数）。

步骤2：设备预处理

1. 基板校准：调整打印平台水平度，确保首层与激光焦点精确对齐（误差需控制在±0.05mm内）。

2. 粉末铺展：在成型腔内铺一层均匀的金属粉末（粒径通常为15-45μm），厚度与切片层厚一致。

3. 惰性气体保护：向腔体充入高纯度氩气或氮气，将氧气含量降至0.1%以下，防止金属氧化。

步骤3：选择性激光熔化（SLM）

1. 激光扫描：高功率光纤激光（功率200-1000W）按照G-code路径选择性熔化粉末，形成固态金属层。

2. 层间结合：新铺粉末与前一层通过激光重熔实现冶金结合，确保结构强度。

3. 动态监控：通过红外摄像头或高速摄像机实时监测熔池温度、尺寸，反馈调节激光参数以避免缺陷（如气孔、裂纹）。

步骤4：后处理与支撑结构去除

1. 冷却与脱粉：打印完成后，待零件冷却至室温，用刷子或压缩空气清除未熔化粉末。

2. 支撑结构切割：使用线切割或电火花加工移除连接基板的支撑结构（支撑材料与零件相同，但设计为易去除形态）。

3. 热处理：通过固溶处理、时效硬化等工艺消除残余应力，提升材料性能（如钛合金需480℃退火）。

步骤5：表面精加工

1. 机械加工：对关键表面进行CNC铣削或磨削，达到设计公差（如航空零件需Ra≤0.8μm）。

2. 喷砂/抛光：改善表面粗糙度，去除氧化层（如医疗植入物需镜面抛光以减少细菌附着）。

3. 检测与验证：使用三坐标测量仪（CMM）、X射线CT扫描检查尺寸精度与内部缺陷。

步骤6：质量认证与交付

1. 材料测试：通过拉伸试验、硬度测试验证力学性能是否符合标准（如ASTM E8）。

2. 功能测试：对复杂流道零件进行压力测试，确保无泄漏；对运动部件进行疲劳测试。

3. 包装与物流：采用防震包装保护精密零件，并通过低温运输（如液氮冷冻）防止金属变形。

TAG：