3D-utskrift, även känd som Additive Manufacturing (AM), är en "transformativ" metod för traditionell industriell produktion. Den traditionella subtraktiva tillverkningsprocessen hänvisar till användningen av befintliga geometriska modellarbetsstycken och användningen av verktyg för att gradvis skära, polera och gravera material för att slutligen bli de nödvändiga delarna. 3D-utskrift är precis tvärtom. Med hjälp av 3D-utskriftsutrustning skiktas den digitala tredimensionella modellen, och specialmaterial som metallpulver, termoplastmaterial och hartser staplas kontinuerligt upp och binds lager för lager och slutligen överlagras för att bilda en tredimensionell helhet . 3D-printing är en tvärvetenskaplig teknik som omfattar maskiner, material, datorseende, mjukvara, elektronik och andra discipliner, och kärntekniken ligger i tillverkningen av 3D-skrivare, som även har speciella krav på material, mjukvara, design etc.
Jämfört med traditionella tillverkningsprocesser har 3D-utskrift egenskaperna att bilda komplexa strukturer, förkorta produktförverkligandecykeln, hög produktstyrka, lätt vikt och hög materialutnyttjandegrad, men dess kostnad är också relativt hög. Egenskaperna för 3D-utskriftsteknik är följande:
(1) Delar med komplexa geometriska strukturer kan tillverkas för att uppnå integrerad produktion, och strukturens komplexitet kommer inte att medföra extra kostnader. Designers är inte längre bundna av traditionella tillverkningsprocesser och kan skapa delar mer fritt.
(2) Förkorta cykeln för utveckling och realisering av nya produkter. Vid utveckling av nya produkter inom traditionell teknik är det nödvändigt att designa och producera nya formar och etablera en monteringsprocess, medan 3D-printing inte kräver formar och processen är kort.
(3) Produkten har egenskaperna hög hållfasthet och lätt. 3D-utskriftsdelar kan realisera bikakegitterstrukturen som är svår att bearbeta med traditionell teknik och kan kraftigt minska vikten under förutsättningen att säkerställa prestanda. Baserat på processegenskaperna för snabb stelning av 3D-utskrift kan goda mekaniska egenskaper uppnås, vilket säkerställer en ökning av styrkan.
(4) Materialanvändningsgraden har förbättrats avsevärt. Eftersom materialen överlagras lager för lager finns det nästan inget materialavfall i produktionsprocessen och materialutnyttjandet når mer än 90 procent. (5) Kostnaderna för utrustning och material är höga. Industriell 3D-utskriftsutrustning är dyr, allt från en till två miljoner yuan till tiotals miljoner yuan. Dessutom, på grund av den speciella processen, har 3D-utskrift särskilda krav på material, och vanliga material behöver justeras. Forskning och utveckling av material är dock svår och kostsam, vilket begränsar utvecklingen av 3D-utskrift i viss utsträckning.
Efter mer än 30 års utveckling har 3D-utskriftstekniken kontinuerligt förbättrats och olika utskriftslägen som 3D-bioprinting, organiskt materialutskrift och metallutskrift har bildats. Metall 3D-utskrift använder i allmänhet laser- och elektronstråleenergikällor för att smälta metallpulver, så att metallpulvret sintras och staplas upp för att bilda en övergripande struktur. Det finns två inmatningsmetoder för metallpulver i hela processen, pulverspridning och pulvermatning. Enligt olika pulvermatningsmetoder är principen för metall 3D-utskriftsprocess uppdelad i riktad energideposition (även känd som pulvermatning) och pulverbäddselektiv smältning (även kallad pulverspridning). Pulverlackering avser att sprida metallpulver på substratet för att bilda ett tunt skikt, som sedan smälts samman genom att lasersmälta specifika områden på det tunna skiktet. Jämfört med pulverspridning bildar pulvermatning inte ett tunt lager, och pulvret levereras direkt till den smälta poolen som bildas av lasern på substratet genom pulvermunstycket och sintras för att bilda en helhet. Den vanliga metall 3D-utskriftstekniken kan grovt delas in i laserselektiv smältningsteknik (SLM), elektronstrålesmältningsteknik (EBM), lasernätformningsteknik (LENS), elektronstrålefusionsfilamentdepositionsteknik (EBF) och så vidare.
Det finns tre viktiga faktorer i utvecklingen av teknik, utrustning, material och process för metalltillverkning. För närvarande finns det fortfarande utrymme för förbättringar inom dessa tre aspekter. För att utöka applikationsskalan för 3D-utskriftsteknik, utvecklas teknik för metalltillverkning i riktning mot låg kostnad, stor storlek, multimaterial, hög precision och hög effektivitet.
(1) Metalltillsatsutrustning utvecklas i riktning mot storskalighet och specialisering. Med den ökande efterfrågan på att skriva ut storskaliga strukturer och specifika områden har metall 3D-utskriftsutrustning blivit en trend mot storskalig och professionell utveckling.
(2) Utskrivbara råvaror fortsätter att öka, och kompositmaterialtryck börjar dyka upp. För närvarande är de typer av råmaterial som används i 3D-utskrift av metall relativt små och kvaliteten på materialen är inte hög. Med den kontinuerliga penetrationen av additiv tillverkning inom industriområdet ökar efterfrågan på 3D-metallutskrift som kan uppnå multimaterial blandad utskrift gradvis. Dessutom börjar simultantryckning av flera kompositmaterial dyka upp, vilket kan kombinera fördelarna med olika material.
(3) Utveckla ny tillverkningsteknik för metalltillsats. Traditionell metalltillverkningsteknik har problem som höga kostnader och låg effektivitet, bland vilka låg effektivitet också är en av nyckelfaktorerna som begränsar additiv tillverkning från att ersätta traditionell subtraktiv tillverkning inom många områden. Det förväntas att med den gradvisa mognad av denna teknologi i framtiden, såsom ökningen av laserkraft och optimering av utskriftsbanan, kan produktionshastigheten för additiv tillverkning förbättras.