引言：随着工业4.0和中国制造2025等战略的实施，对于具有高复杂度、多功能、小批量等特点的小型机械零件的需求日益增长。在这一背景下，以计算机辅助设计（CAD）、快速原型（RP）、增材制造（AM）为代表的3D打印技术应运而生，并逐渐被广泛应用于小批量、多功能和复杂结构零件的快速制造领域。随着3D打印技术不断发展，其在产品设计、加工制造与产品检测等领域均取得了显著成效，为解决小批量、多功能和复杂结构零件的快速制造难题提供了新思路。本文重点介绍了3D打印技术在小型机械零件快速制造中的应用实践，并对其未来发展趋势进行了展望。

一、3D打印技术的定义与原理

3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的新型制造技术。其基本原理是利用数字模型文件作为数据基础，通过控制逐层叠加的方式来构造物体，主要包括光固化（SLA）、激光熔融（LF）、电子束熔融（EBM）、电子束光刻（EAST）和选择性激光烧结（SLS）等技术。其中，光固化3D打印技术由于其材料可选择性、工艺过程高度自动化以及适用于快速原型设计等优点，逐渐成为小批量、多功能和复杂结构零件的快速制造新方法，被广泛应用于航空航天、汽车、医疗等领域。

二、3D打印技术的发展现状

自20世纪90年代以来，3D打印技术不断发展，已应用于工业生产、医疗保健、教育等多个领域。目前，3D打印技术已发展到第三代，包括选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）、分层实体制造（LMD）等。其中，选择性激光烧结技术在医疗保健领域已得到广泛应用；分层实体制造技术的3D打印材料以金属和塑料为主；而选择性激光熔化（SLM）技术则应用于航空航天和军事领域。其中，SLM技术已经发展到第三代，即具有成型高精度、高强度、高分辨率等特点，是目前3D打印技术中应用最为广泛的一种[4]。

三、3D打印技术应用中存在的问题与挑战

3.1材料性能与适用性问题

3D打印技术在小型零件制造领域的应用主要集中在金属零件方面，但金属材料种类繁多，不同金属材料有不同的物理性能和力学性能，且在不同应用环境下需要选择与之相匹配的金属材料。对于3D打印技术来说，材料选择的范围就更广了，但如何根据应用需求和零件结构特点选择合适的材料是一个难题。以本文所述案例为例，通过对金属材料3D打印过程中各项性能的分析和对比，最终选用了与之相匹配的316L不锈钢进行打印，不仅保证了打印精度和表面质量，也提高了零件的使用寿命。此外，本例还应用了高强度合金材料，极大地提高了零件强度和耐磨性。

3.2精度与表面质量控制难点

3D打印技术的精度控制是一个非常复杂的问题，不仅受材料种类影响，还受激光能量、扫描速度等工艺参数的影响。在本例中，激光能量过高会使材料熔化，导致零件表面出现裂纹，而激光能量过低又会影响打印精度，因此需要合理控制激光能量和扫描速度。此外，在打印过程中还可能会出现变形、开裂等情况。因此，如何提高打印精度和表面质量是一个急需解决的难题。而表面质量不仅影响零件的使用寿命，还会对后续加工造成影响。此外，为了保证零件表面质量，还需要对打印完成后的零件进行后处理。但目前3D打印技术对表面处理技术的研究尚不成熟，存在一定的技术壁垒。

3.3设备与工艺稳定性限制

首先，受材料特性影响，3D打印产品的成型效果会随时间推移而产生较大变化，并存在一定的不稳定性；其次，为提高精度与表面质量，通常采用分层制造工艺，在同一模型上依次完成多层加工，每层之间可能存在未粘接的层间界面（如图2），这会造成后续加工工艺的不稳定；最后，现有3D打印技术一般采用封闭式工作流程，需对加热、打印、冷却等关键过程进行精确控制。由于机械设备本身的热容量和温度控制精度限制，这会导致3D打印产品成型时存在一定程度的热应力。因此，必须通过增加辅助热源、合理控制加热温度、适当提高冷却速率等手段来减少热应力对3D打印产品的影响。

四、优化对策与发展建议

4.1提升打印材料研发与多样化

虽然目前我国已经推出了许多打印材料，但是由于不同类型的材料价格差异较大，且不同生产厂商所使用的打印材料也存在差异，所以很难实现统一化生产。为了实现打印材料的多样化，需要对当前的打印材料进行进一步的研发，并开发新的打印技术，从而进一步实现对产品生产成本的控制。除此之外，随着打印材料种类的增多，需要对3D打印机进行定期维护，以保证其能够正常工作。此外还需要将3D打印机与其他类型设备进行连接，例如可以将其连接到激光切割机上、数控加工中心等。通过这种方式不仅可以提高制造效率，还可以在一定程度上减少加工成本。

4.2完善工艺参数与过程控制

对于3D打印技术来说，其打印精度与表面质量主要受激光能量、扫描速度和预热温度等工艺参数的影响。为了保证产品的精度和表面质量，必须对以上各个因素进行控制。同时，还需要对各个工艺参数进行进一步研究，例如可以根据零件结构特点，合理选择激光能量、扫描速度、预热温度等参数，从而保证零件精度和表面质量。此外，为了保证3D打印产品的质量，还需要对其进行后处理，例如进行后热处理、抛光等工艺处理，以提高产品的综合性能。此外，还需要在前期设计阶段就考虑到生产过程中可能出现的问题并提前解决，从而提高3D打印产品的稳定性。

4.3加快智能化设备开发与应用

随着智能制造和数字化转型的深入发展，3D打印技术正朝着智能化方向发展，未来将朝着无人化方向发展。为了实现对3D打印设备的智能化控制，需要进一步开发智能控制系统，并提高设备的智能化水平。同时，还需要针对不同种类的3D打印设备开发不同的智能控制系统，从而为用户提供更好的服务。此外，还需要对现有的3D打印设备进行升级改造，实现智能化、自动化和标准化，从而进一步提升3D打印技术在小型机械零件快速制造领域的应用水平。

结语

3D打印技术作为一种新型的制造技术，具有快速、高效、低成本等优点，可广泛应用于小批量、多功能和复杂结构零件的快速制造领域。但目前3D打印技术还存在着材料种类有限、打印精度和表面质量难以控制、设备与工艺稳定性限制、智能化水平不足等问题，需要进一步研究解决。此外，还需要针对不同类型的3D打印设备开发不同的智能控制系统，从而实现对设备和工艺的智能化控制。只有充分发挥3D打印技术的优势，解决其应用过程中存在的问题，才能促进3D打印技术在小批量、多功能和复杂结构零件制造领域的进一步发展。

参考文献：

[1]蒋立林.3D打印技术的发展及其在机械零件制造领域的应用[J].江苏机电职业技术学院学报,2018(5).

[2]张鑫.基于光固化3D打印技术的复杂精密结构件快速制造及其应用研究[J].机械与电子工程学报,2017(2).

[3]刘新宇,张宁,高文广,等.基于光固化3D打印技术的航空航天关键零件快速制造实践[J].机电工程学报,2021(1).