作者：龙腾日月

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2012年12月17日有媒体报道，华中科技大学史玉升科研团队经过十多年努力，实现重大突破，研发出全球最大的“3D打印机”。 这一“3D打印机”可加工零件长宽最大尺寸均达到1.2米。从理论上说，只要长宽尺寸小于1.2米的零件（高度无需限制），都可通过这部机器“打印”出来。华中科技大学材料科学与工程学院副院长史玉升说，“3D打印机”是通俗叫法，这一设备的学术名称为基于粉末床的激光烧结快速制造装备。最近，“3D打印技术”成了科技新闻报道中的高频词汇，仿佛世界万物没有什么是这个所谓的“3D打印技术”所不能制造的。著名的《经济学人》杂志则评价说：“伟大发明所能带来的影响，在当时那个年代都是难以预测的，1750 年的蒸汽机如此，1450 年的印刷术如此，1950 年的晶体管也是如此。而今，我们仍然无法预测，3D打印将在漫长的时光里如何改变这个世界。”

 

理念的革命：3D打印机的基本原理

3D打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称为添加制造（AM，Additive Manufacturing）。作为一种综合性应用技术，3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术，具有很高的科技含量。3D打印机是3D打印的核心装备。它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。此外，新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分。
 
3D打印机与其制造成型的各种部件，可以看到，3D打印机可以制造形状极为复杂的零部件。 

自美国3DSystems公司于1988年推出第一台商品化3D打印机以来，已经有十几种不同的成形方法，通常将它们分为两类:第一类是基于激光技术的成形方法，如立体光刻、纸叠层、选择性激光烧结、选择性激光熔化等;第二类是非激光技术的快速成形方法，如熔丝沉积、三维打印、掩膜光固化、冲击微粒制造、实体磨削固化等。立体光刻的成形材料使用液态光敏树脂。通过计算机控制紫外激光扫描指定区域，将扫描区域的光敏树脂固化，逐层堆积，制件的性能相当于工程塑料或蜡模。选择性激光烧结的成形材料使用塑料、金属、陶瓷等粉末，通过计算机控制激光熔化相应粉末，逐层堆积，制件的性能与成形材料有关。纸叠层的成形材料使用涂敷有热敏胶的纤维纸，通过计算机控制激光来切割纸的成形轮廓，并压实粘接到前一层纸上，逐层堆积，制件的性能相当于高级木材。熔丝沉积的成形材料使用固体丝状工程塑料，通过三维伺服驱动器控制喷头运动，并挤出熔融的工程塑料，逐层堆积，制件性能相当于工程塑料或蜡模。可以看出，3D打印机本身性能的区别非常巨大，有些能够成型金属、陶瓷高硬度部件，有些其实就是只能制造塑料、木制品等生活用品和玩具。

 

中国的选择：选择性激光烧结

华中科技大学研制的世界最大的3D打印机采用的是善于生产高硬、高熔点金属部件的选择性激光烧结技术。择性激光烧结系统主要由激光源、扫描器、铺粉机构、预热装置和计算机控制系统等部分组成。以各种粉末材料（如石蜡、聚碳酸脂、石英砂、陶瓷以及金属等粉材）为加工对象，因其选材广泛、不需特殊支撑、材料可重复利用、工艺简单等特点而得到广泛应用和快速发展。整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成,工作时粉末缸活塞(送粉活塞)上升,由铺粉辊将粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均匀铺上一层,计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹,有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成一层后,工作活塞下降一个层厚,铺粉系统铺上新粉,控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复,层层叠加,直到三维零件成型。最后,将未烧结的粉末回收到粉末缸中,并取出成型件。对于金属粉末激光烧结,在烧结之前,整个工作台被加热至一定温度,可减少成型中的热变形,并利于层与层之间的结合。
 
选择性激光成型技术的原理图 

该大学还在2005年自主研制成功了国内第一台选择性激光融化技术试验样机。选择性激光烧结与融化的主要区别是：在金属粉末间接烧结过程中,成形材料一般由高熔点与低熔点两种粉末组成，当激光束选区扫描时,高熔点粉末并不熔化,作为结构材料,低熔点粉末熔化,起粘结作用；而融化技术则是在高能激光束的作用下,金属粉末在熔池及其附近部位以远高于周围区域的速度被急剧加热,并瞬间局部熔化，再进行成形，相当于一次激光冶炼、结晶生长和成型过程。

 

优势：吻合军事工业的发展要求

与3D打印的其它方法相比,选择性激光烧结最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上说,任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。目前,可成功进行选择性激光烧结成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。由于选择性激光烧结成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛、适合多种用途以及选择性激光烧结无需设计和制造复杂的支撑系统,所以应用越来越广泛。

选择性激光烧结技术的特点归纳起来主要有以下几点:1. 过程与零件复杂程度无关,是真正的自由制造,这是传统方法无法比拟的；选择性激光烧结与其它3D打印技术不同,不需要预先制作支架,未烧结的松散粉末作了自然支架，可以成型几乎任意几何形状的零件,对具有复杂内部结构的零件特别有效。这一特点格外适合制造复杂的钛合金结构部件，具有复杂内部冷却通道的航空发动机涡轮叶片，内部材料和结构复杂的坦克装甲等等武器关键零部件。这会极大地降低复杂武器装备的生产成本，对于我国这样的新兴工业化国家具有重大战略价值。

选择性激光烧结技术制造成型的航空轻型
 

2.产品的单价几乎与批量无关,特别适合于新产品的开发或单件、小批量零件的生产；这一点对于研制周期长、成本高、风险大的武器装备和复杂工业产品来说，具有极高的应用价值。众所周知，武器装备的原型机、样机制造和试验是一个较为复杂、充满风险的过程。由于产量极小，一般为个位数，武器原型机和样机无法依托批量生产线来制造，只能采用零散生产部件再人工组装的方式，成本高、周期长。而且一旦在试飞、试射等试验过程中，原型机或样机损伤或者坠毁，由于财力和物力的限制，无法对其进行再次生产和组装，一个武器型号可能就会因此而夭折。我国国防工业类似的例子比比皆是。而选择性激光烧结的部件生产成本与生产批量无关，这就大大改善了传统生产方式的问题，甚至可以挽救一个重大武器型号的前途与命运。

布雷德利战车火炮瞄准器的传感器支架已经采用3D打印技术来制造了。 

3. 生产周期短,从CAD设计到零件的加工完成只需几小时到几十小时,整个生产过程数字化,可随时修正、随时制造。这一特点使其特别适合于新产品的开发。由于武器装备发展新技术应用越来越多，未经充分验证的新技术往往具有性能、可靠性、耐久性上的不确定性，需要经过反复的设计-生产-试验-失败-修改设计-再生产-再试验的周期。如果一型装备到了研制过程的中后期，例如原型机试验、技术鉴定阶段才暴露重大技术问题，就可能导致型号的下马或者研制周期的极大延误。而选择性激光烧结技术可以边研制、边设计、边生产验证，一项新技术在装备的应用过程中，在短时间内就可以进行大量的验证性试验，极大的改善了武器装备研制的周期长、风险大的问题。

用于新一代战斗机的钛合金结构部件采用传统的模锻结合机加工的办法，十分费时费力，而且原材料存在大量浪费。 

4.材料范围宽,任何受热粘结的粉末材料都有被用作选择性激光烧结原材料的可能性。材料无浪费,未烧结的粉末可重复使用。传统的机械加工技术是在原材料坯件基础上进行某种形式的切削、挤压等操作，从而把多余的原料去除，最终加工出所需的部件形状。但是在这个过程中，原材料就会出现损失，而且越是昂贵的合金就越难进行回收利用，提高了生产成本、浪费了宝贵的资源，例如新一代战斗机的钛合金加工过程就要损失大量昂贵的航空钛合金。而选择性激光烧结技术不存在材料的浪费，在任何部件生产过程中，所使用的粉末都变成了部件本身，而没有被使用的粉末，依然可以继续使用。这对于先进武器装备的成本降低具有很大的经济价值。在自然资源匮乏的今天，能够使用更少的资源制造出更多、更先进的武器装备是一个军事强国可持续发展的核心竞争力。

正在进行三维数字设计的枪械零件，目前美国已经可以直接打印出完整的枪械，而且可以使用。 

 

现状与未来

选择性激光烧结工艺最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl Deckard于1989年在其硕士论文中提出的。后美国DTM公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备SinterSation。几十年来,奥斯汀分校和DTM公司在SLS领域做了大量的研究工作,在设备研制和工艺、材料开发上取得了丰硕成果。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作,并开发了相应的系列成型设备。在国内,也有多家单位进行SLS的相关研究工作,如华中科技大学、南京航空航天大学、西北工业大学、华北工学院和北京隆源自动成型有限公司等,也取得了许多重大成果,如南京航空航天大学研制的RAP-I型激光烧结快速成型系统、北京隆源自动成型有限公司开发的AFS-300激光快速成型的商品化设备。


华中科技大学开发的 HRPM 系统主要性能参数


华中科技大学开发的 HRPM 系统

 

成型材料是选择性激光烧结技术发展和烧结成功的一个关键环节,它直接影响成型件的成型速度、精度和物理、化学性能,影响成型工艺和设备的选择及成型件的综合性能。因此,国内外有许多公司和研究单位加强了这一领域的研究工作,并且取得了重大进步。与快速成型设备的研究相比,我国快速成型材料及工艺的研究相对滞后,目前还处在起步阶段,与国外相比存在较大差距。虽国内有多家研究开发单位对选择性激光烧结材料和工艺进行了研究开发工作,但还没有专门的成型材料生产和销售单位。

 

实现使用高熔点金属直接烧结成型金属零件,对传统切削加工方法难以制造出高强度零件以及对快速成型技术更广泛的应用具有重要意义，尤其是在航天器件、飞机发动机零件及武器零件的制备方面。希望我国政府对于相关科研单位加大政策扶持力度，对这项关系到国防安全、工业实力的关键技术予以足够的重视。