付洪宇
沈阳理工大学 辽宁沈阳110159
摘要：本文首先针对3D打印的金属结构，现阶段在3D打印金属的材性研究、3D打印的技术构件在力学性能上的研究、3D打印的金属结构在力学性能上的研究，对几方面研究的进展现状进行了分析，然后基于此进行了整体性的总结，并且对未来的发展在三个方面进行了展望，以供各位业界同仁参考和指导。
关键词：3D打印；金属结构；力学性能；研究
前言：3D打印属于一种快速成型的制造技术，是通过三维的建模软件，来对零部件的形状展开建模的，再利用软件对三维的模型展开切片，最终由计算机输出的数字信号，对专用的3D打印机实施控制，最终实现产品的快速打印。3D打印技术在近些来发展的很快，在很多的领域中都得到了应用，因此相关部门、技术人员，应该对现有的技术不断的予以改进、完善，并且对新型材料要不间断的进行研究，有利于3D打印技术在未来更好的发展。
1 研究进展
当下部分的相关学者对3D打印技术，在金属结构的力学性能上，从金属材料、金属构件、金属结构上，已经开展了一段时间的研究。
1.1 3D打印金属的材性研究
外国的一些研究学者，针对由PBF技术制造而成的316L的不锈钢材料开展了研究，针对试样在成形的不同角度上做了单轴拉伸的实验，还有传统的制造方式展开了对比，发现与基板在方向上的抗拉强度、屈服强度，水平方向的要高于垂直方向，与基板在水平方向的抗拉强度比传统制造的316L不锈钢要高。Buchanan等人针对PBF制造的PH1与316L的不锈钢试样，展开了单轴拉伸的实验，又对316L的不锈钢试样单独进行了单轴压缩的实验，观察得出316L的不锈钢在条件的屈服强度、抗拉强度上的变化，是随着材料的生成角度增加而减小的，PH1不锈钢在条件的屈服强度上大概率是会保持不变的，抗拉的强度是随着材料生成的角度增加而变小。Laleh等人经过研究发现，由SLM技术制造的316L不锈钢，在硬度、抗点蚀性能上比较高，但是耐腐蚀的性能不高，他们认为出现这种现象可能是因为，SLM技术对不锈钢的微观结构产生的小孔有关系。佟鑫等人使用SLN技术制出了304L的不锈钢，对力学性能在成型的不同角度上的变化进行了研究，结果显示成形的角度对抗拉、屈服的强度没有显著的影响，反而对断后的伸长率有显著的影响，认为当SLM的工艺参数适合、粉末质量高的时候，在冶金时能实现良好的结合，因此对304L的不锈钢而言，成形的角度产生的影响不大，但是对塑性会产生很大的影响。
一些学者对WAAM技术制造的钢材，对其在材料性能上也展开了研究。Gardner等人使用MX3D的不锈钢桥在相同的材料、打印参数的制造板件，做了两种类型的试样：WAAM的打印试样、光滑的加工试样，在板件上对两种类型分别与层方向成90度、45度、0度的方向上提取，然后对其进行了拉伸的实验，结果显示材料有各向的异性，而且几何形状对WAAM的打印试样产生了影响，为轻度、弹性模量的指标都比光滑试样要低。Joosten等人使用WAAM的技术，对于竖直方向分别成60度、30度、0度，制造而成316LSI、308LSI的不锈钢圆棒开展了拉伸的实验，结果显示成形角度、抗拉强度关系为明显的负相关，抗拉强度的平均值600MPa。Haden等人用WAAM制造的ER70S的碳素钢、304的不锈钢开展了拉伸实验，结果显示WAAM制出的304不锈钢，锻造的强度要高于屈服的强度（只是对试样进行了焊接方向的拉伸），WAAM制成的ER70S的碳素钢在屈服的强度上接近与锻造制造，而且在焊缝的垂直方向、焊接的方向强度无显著变化。刘奋等人对由MIG所堆焊形成的316L的不锈钢，在焊接方向上进行了室温的抗拉实验，结果显示抗拉的强度明显比铸造、热轧材料要好，并且认为316L的不锈钢在焊接的过程当中，所累积的热量对力学性能、堆积层的组织影响不大，在实际生产的时候可以使用多道、多层的堆积成形[1]。
3.2 3D打印的技术构件在力学性能上的研究
Buchanan等人用PBF制作的316l的不锈钢，在方形的空心截面上的短柱进行了轴压的实验，并且把实验的结果和CSM、EN1993-1-4在设计的方法上进行了对比，结果显示现在的设计方法对PBF而言适合去制作SHS的短柱。
Gardner等人利用WAAM的技术，制出了和MX3D桥的关键构件在比例上相似的，CHS（圆形的空心截面）、SHS（矩形的空心截面）的短柱，通过对短柱进行实验对MX3D桥的关键构建在受压的性能上做出了评估，认为WAAM成形的截面与冷成形、热轧相比较而言，几何形状发生的变化会比较大，因此对设计有必要制定出一套标准。
Joosten等人对WAAM制作316LSI、308LSI的不锈钢杆件，开展了受压屈曲的研究实验，结果发现实验的结果与欧洲规范中，任何一条现存的屈曲曲线都不符合，然后按照实验的结果做出了一条3D的屈曲曲线。
除此之外还有一部分学者把3D打印，应用到了制造复杂节点的技术上。Galjaard等人对ARUO的照明节点，给出了拓扑优化的过程，对有限元的分析结果显示此节点能够承载设计的荷载。陈敏超等人利用拓扑优化的软件，设计出了节点又开展了力学的分析，提出了把3D打印技术、拓扑优化的技术相互之间进行结合，给结构复杂的空间节点，在设计、生产上提供了更加便捷的条件[2]。
3.3 3D打印的金属结构在力学性能上的研究
Gardner等人用MX3D的不锈钢桥，在不同的施工阶段对现场的结构进行了加载试验，在实验的同时对水平、垂直方向上，对荷载进行了充分的考量，然后从CAD的文件中导入几何的尺寸，与材性实验中得到的本构关系之间建造了全桥有限的模型，对有限元分析的结果显示，此桥的承载量能够满足设计的荷载[3]。
2 总结与展望
2.1 总结
3D打印的技术出现在二十世纪的九十年代，刚开始是高分子的材料打印，而今是金属的粉末打印，随着时代、科技的不断进步，更多的新材料、新设备、新技术得到开发、应用。信息技术在现阶段正以创新的步伐在不断前进，工业化的生产正在迈入数字化、智能化的崭新阶段。德国在2014年提出了一个工业4.0的发展规划，此计划在工业领域可谓是引起了颠覆性的创新、改变，然而3D打印技术，在工业未来的智能化发展中必将是一股强大的推力。金属粉末的3D打印技术，在当下的研究中取得了不小的成果，但是由于材料这个瓶颈，对日后的技术推广势必会有影响，3D打印技术对材料的要求是越来越高。在工业领域虽然现在金属材料的种类很多，但是想要满足具体的生产要求，就只有专用的粉末材料才可以。其实针对3D打印技术在力学性能上的研究，当下主要还是集中在金属材料的研究上，对于金属构件、结构的研究相对而言并不多，相关的研究也尚且处在起步的阶段。
2.2 展望
3D打印的金属材料在发展的方向上，主要包含以下三个方面：
第一，如何对现有的材料在使用的基础之上，对材料在属性、结构之间的关系要加强研究，按照材料自身的性质对工艺的参数做出进一步的优化，进而让打印的速度能够增加，降低氧的含量、孔隙率，对表面的质量起到改善的作用。
第二，对3D打印在新材料的研究要持续下去，比如开发力学的综合性能优异、耐高温、耐腐蚀的新型材料。
第三，对3D打印的粉体材料，在技术的标准体系上要不断的去完善，让金材料的打印技术，在标准上实现常态化、制度化。
结束语：综上所述，WAAM成形的金属构件还是存在着一定的缺陷，现有的一些方法并不是完全合适，因此对其还要再进一步的去研究。结合了拓扑优化之后，复杂节点在设计、建造的方面有了更特别的优势，不仅能够满足力学性能的要求，又能让成本得到节约、造型更加美观，在对建筑业而言在未来的数字化发展上，有着积极的重要意义。
参考文献：
[1]吕鉴涛.3D打印原理、技术与应用[M].北京：人民邮电出版社,2017.
[2]郑增,王联凤,严彪.3D打印金属材料研究进展[J].上海有色金属,2016,37(01):57-60.
[3]陈双,吴甲民,史玉升.3D打印材料及其应用概述[J].物理,2018,47(11):715-724.作者简介：付洪宇（1995.12），性别：男，民族：汉，籍贯：辽宁铁岭，学历：硕士， 研究方向：先进功能复合材料，