鈦合金3D打印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展趨勢

3D打印(3DP)即快速成型技術(shù)的一種，又稱增材制造 ，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。該技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、工程和施工(AEC)、汽車，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。

3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，實(shí)際上是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最新快速成型裝置。它與普通打印工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。這打印技術(shù)稱為3D立體打印技術(shù)。

一、鈦合金材料在3D打印材料中的優(yōu)勢

1、比強(qiáng)度高鈦合金的密度僅為鋼的60%，純鈦的強(qiáng)度接近普通鋼的強(qiáng)度，一些高強(qiáng)度鈦合金超過了許多合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度。因此鈦合金的比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）遠(yuǎn)大于其他金屬結(jié)構(gòu)材料，可制造出單位強(qiáng)度高、剛性好、質(zhì)量輕的零部件。目前飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等都使用鈦合金。

2、熱強(qiáng)度高鈦合金的使用溫度比鋁合金高幾百度，可在450℃～500℃的溫度下長期工作。而鋁合金的工作溫度則在200℃以下。

3、抗蝕性好鈦合金在潮濕的大氣和海水介質(zhì)中工作，其抗蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼，對點(diǎn)蝕、酸蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強(qiáng)。

4、低溫性能好鈦合金在低溫下仍能保持其力學(xué)性能。比如TA7，在-253℃下還能保持一定的塑性。因此，鈦合金也是一種重要的低溫結(jié)構(gòu)材料。

二、鈦合金材料在3D打印中的應(yīng)用領(lǐng)域

1、醫(yī)用領(lǐng)域

鈦被稱為“親生物”金屬，具有無毒無害、耐高溫、高耐腐蝕性、高強(qiáng)度、低密度、良好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，而且彈性模量與人體硬組織接近，在醫(yī)用金屬領(lǐng)域占據(jù)了“半壁江山”。現(xiàn)今運(yùn)用到鈦合金3D打印技術(shù)的主要是骨科與牙科。

2、航空航天領(lǐng)域

3D打印技術(shù)最早于2001年開始應(yīng)用于美國的艦載殲擊機(jī)中，通過鈦合金3D打印技術(shù)生產(chǎn)出飛機(jī)的承力結(jié)構(gòu)件并應(yīng)用于航空生產(chǎn)。2011年英國的南安普頓大學(xué)通過3D打印技術(shù)生產(chǎn)出包括無人機(jī)的機(jī)翼、控制面板和艙門的整體框架。2012年之后，鈦合金3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用取得前所未有的發(fā)展，鈦合金部件不僅在飛機(jī)制造中得到廣泛的應(yīng)用，并且新型的鈦合金材料開始在火箭、航天飛機(jī)等航天設(shè)備中得到應(yīng)用。

3、手板和模具領(lǐng)域

3D打印在手板和模具領(lǐng)域亦有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)制作方式相比，3D打印因由計(jì)算機(jī)控制，能嚴(yán)格按照三維軟件繪圖來控制尺寸。對于復(fù)雜零件，沒有制作路徑限制，可極大幅度降低模型和模具制備時(shí)間，提高模型精度與質(zhì)量，節(jié)約大量時(shí)間和金錢。

三、鈦合金3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢

鈦合金3D打印技術(shù)作為一項(xiàng)前沿的制造技術(shù)，集設(shè)計(jì)、制造于一體，近年來引起各界廣泛關(guān)注，并在航空航天、國防軍事、生物醫(yī)學(xué)、汽車高鐵等高精尖領(lǐng)域展示了廣闊的應(yīng)用前景，但是，相較于傳統(tǒng)制造技術(shù)起步較晚，發(fā)展歷史僅30年左右，與世界先進(jìn)國家比較還存在很大的差距，比如：鈦合金零件的成形效率低、精度還未能達(dá)到高精水平、設(shè)備和材料的制備成本高，以及仍未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)、商業(yè)應(yīng)用等問題，特別是成形件缺陷的抑制問題。

目前我國對零件的成形過程中存在的缺陷問題，球化、裂紋、孔隙、翹曲變形等的研究還處于初步階段，仍有大量的研究工作急需進(jìn)行。將來鈦合金3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢如下：

(1)在材料方面，研制開發(fā)新型的球形鈦合金粉末的生產(chǎn)設(shè)備和制備工藝，提高鈦合金粉末的質(zhì)量(粒度、球形度、流動(dòng)性、夾雜氣體等),進(jìn)而改善制件的組織和力學(xué)性能。此外，通過提高粉末的收得率和粉末的回收再利用來降低成本。

(2)在設(shè)備方面，一方面應(yīng)提高設(shè)備的成形效率、成形精度，以及降低成本等；另外，還要研發(fā)大型的工業(yè)級(jí)打印設(shè)備，逐步實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。

(3)在檢測方面，伴隨3D打印件向大型化、復(fù)雜化和精密化方向發(fā)展，很多傳統(tǒng)的無損檢測方法存在盲區(qū)，需要開發(fā)新型的無損檢測技術(shù)；通過對組織、缺陷實(shí)時(shí)監(jiān)控的在線檢測技術(shù)是未來重點(diǎn)的研究方向之一；另外，建立和完善無損檢測標(biāo)準(zhǔn)，是3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用的依據(jù)。

(4)在工藝方面，進(jìn)一步優(yōu)化3D打印技術(shù)的工藝，抑制成形過程中的缺陷，提高成形件的力學(xué)性能。成形過程中零件內(nèi)應(yīng)力演變規(guī)律、變形開裂行為以及缺陷產(chǎn)生機(jī)理等關(guān)鍵問題，仍然是未來需要重點(diǎn)研究的問題。