3D-utskrift, også kjent som Additive Manufacturing (AM), er en «transformativ» metode for tradisjonell industriell produksjon. Den tradisjonelle subtraktive produksjonsprosessen refererer til bruken av eksisterende geometriske modellarbeidsstykker, og bruken av verktøy for å gradvis kutte, polere og gravere materialer for til slutt å bli de nødvendige delene. 3D-printing er akkurat det motsatte. Ved hjelp av 3D-utskriftsutstyr blir den digitale tredimensjonale modellen lagdelt, og spesialmaterialer som metallpulver, termoplastiske materialer og harpiks blir kontinuerlig stablet opp og bundet lag for lag, og til slutt lagt over hverandre for å danne en tredimensjonal helhet . 3D-printing er en tverrfaglig teknologi som dekker maskineri, materialer, datasyn, programvare, elektronikk og andre disipliner, og kjerneteknologien ligger i produksjon av 3D-printere, som også har spesielle krav til materialer, programvare, design osv.
Sammenlignet med tradisjonelle produksjonsprosesser har 3D-utskrift egenskapene til å danne komplekse strukturer, forkorte produktrealiseringssyklusen, høy produktstyrke, lett vekt og høy materialutnyttelsesgrad, men kostnadene er også relativt høye. Egenskapene til 3D-utskriftsteknologi er som følger:
(1) Deler med komplekse geometriske strukturer kan produseres for å oppnå integrert produksjon, og kompleksiteten til strukturen vil ikke medføre ekstra kostnader. Designere er ikke lenger bundet av tradisjonelle produksjonsprosesser og kan lage deler mer fritt.
(2) Forkort syklusen for utvikling og realisering av nye produkter. Ved utvikling av nye produkter innen tradisjonell teknologi er det nødvendig å designe og produsere nye støpeformer og etablere en monteringsprosess, mens 3D-printing ikke krever støpeformer og prosessen er kort.
(3) Produktet har egenskapene til høy styrke og lett vekt. 3D-utskriftsdeler kan realisere bikakegitterstrukturen som er vanskelig å behandle med tradisjonell teknologi og kan i stor grad redusere vekten under forutsetningen om å sikre ytelse. Basert på prosessegenskapene til rask størkning av 3D-utskrift, kan gode mekaniske egenskaper oppnås, og dermed sikre en økning i styrke.
(4) Utnyttelsesgraden av materialer har blitt kraftig forbedret. Siden materialene er lagt over lag på lag, er det nesten ikke noe materialavfall i produksjonsprosessen, og materialutnyttelsesgraden når mer enn 90 prosent. (5) Utstyrskostnader og materialkostnader er høye. Industriell 3D-utskriftsutstyr er dyrt, alt fra én til to millioner yuan til titalls millioner yuan. I tillegg, på grunn av den spesielle prosessen, har 3D-utskrift spesielle krav til materialer, og vanlige materialer må justeres. Forskning og utvikling av materialer er imidlertid vanskelig og kostbar, noe som begrenser utviklingen av 3D-printing til en viss grad.
Etter mer enn 30 års utvikling har 3D-utskriftsteknologien blitt kontinuerlig forbedret, og ulike utskriftsmoduser som 3D-bioprinting, organisk materialeutskrift og metallutskrift har blitt dannet. Metall 3D-utskrift bruker vanligvis laser- og elektronstråleenergikilder for å smelte metallpulver, slik at metallpulveret sintres og stables opp for å danne en helhetlig struktur. Det er to innmatingsmetoder for metallpulver i hele prosessen, pulverspredning og pulverfôring. I henhold til forskjellige pulvermatingsmetoder er metall 3D-utskriftsprosessprinsippet delt inn i retningsbestemt energiavsetning (også kjent som pulvermating) og pulverbedselektiv smelting (også kalt pulverspredning). Pulverlakkering refererer til å spre metallpulver på underlaget for å danne et tynt lag, som deretter smeltes sammen ved å lasersmelte bestemte områder på det tynne laget. Sammenlignet med pulverspredning danner ikke pulvermating et tynt lag, og pulveret leveres direkte til det smeltede bassenget dannet av laseren på underlaget gjennom pulverdysen og sintret for å danne en helhet. Den vanlige metall 3D-utskriftsteknologien kan grovt deles inn i laserselektiv smelteteknologi (SLM), elektronstrålesmelting (EBM), lasernettformingsteknologi (LENS), elektronstrålefusjonsfilamentavsetningsteknologi (EBF), og så videre.
Det er tre viktige faktorer i utviklingen av metalladditiv produksjonsteknologi, utstyr, materiale og prosess. For tiden er det fortsatt rom for forbedringer på disse tre aspektene. For å utvide applikasjonsskalaen til 3D-utskriftsteknologi, utvikler produksjonsteknologi for metalltilsetning i retning av lave kostnader, stor størrelse, multimateriale, høy presisjon og høy effektivitet.
(1) Metalltilsetningsutstyr utvikler seg i retning av storskala og spesialisering. Med den økende etterspørselen etter utskrift av storskala strukturer og spesifikke felt, har metall 3D-utskriftsutstyr blitt en trend mot storskala og profesjonell utvikling.
(2) Utskrivbare råvarer fortsetter å øke, og utskrift av komposittmateriale begynner å dukke opp. For tiden er typene råvarer som brukes i metall 3D-utskrift relativt små og kvaliteten på materialene er ikke høy. Med den kontinuerlige penetrasjonen av additiv produksjon i industrifeltet, øker etterspørselen etter metall 3D-utskrift som kan oppnå multi-material blandet utskrift gradvis. I tillegg begynner samtidig utskrift av flere komposittmaterialer å dukke opp, noe som kan kombinere fordelene til forskjellige materialer.
(3) Utvikle nye produksjonsteknologier for metalladditiv. Tradisjonell metalladditiv produksjonsteknologi har problemer som høye kostnader og lav effektivitet, blant annet er lav effektivitet også en av nøkkelfaktorene som begrenser additiv produksjon fra å erstatte tradisjonell subtraktiv produksjon på mange felt. Det forventes at med den gradvise modenheten til denne teknologien i fremtiden, for eksempel økning av laserkraft og optimalisering av utskriftsbanen, kan produksjonshastigheten for additiv produksjon bli forbedret.