3D打印与超精密加工：现状、机遇和未来展望
3D打印与超精密加工：现状、机遇和未来展望
香港理工大学的Wai Sze YIP、Suet TO研究团队在《机械工程前沿》2024年8月刊发表了题为“3D打印与超精密加工：现状、机遇和未来展望”的综述型论文。文章概述了用于3D打印的超精密加工（UPM）技术的现状，分析了将UPM与3D打印相结合的好处，并进一步讨论了将这两种先进制造技术融入潜在行业的未来前景。
研究背景
UPM和3D打印是两项极具潜力的新兴技术。UPM遵循减材制造原理，通过铣削、研磨和抛光等方法实现纳米级加工精度，广泛应用于激光、光学、电子等领域，但存在材料去除率低和可持续性问题。其使用的刀具如金刚石刀具，对加工质量至关重要，且表面生成机制受多种因素影响，模拟建模和人工智能技术可辅助优化加工过程。
3D打印基于增材制造原理，能制造复杂结构零件，具有材料浪费少、成本效益高等优点，但存在精度、表面质量和材料等方面的挑战。该技术分为挤出式和基于激光的增材制造等类型，在航空航天、生物医学等领域有广泛应用，也可用于传统加工，如制造模具、复杂结构件等。
3D打印在工业应用中存在局限性，如打印材料缺陷、表面质量差、尺寸精度受多种因素影响等，在微尺度制造商业化方面也面临挑战。不同的3D打印技术各有优缺点，如选择性激光烧结（SLS）设备和材料成本高，熔融沉积建模（FDM）有明显打印痕迹等。
图 1 当前主流的3D打印技术
3D打印技术可制造多种材料的切削刀具，如硬质合金、陶瓷和金刚石刀具等，具有独特结构和性能优势，能提高加工性能，在UPM中有市场潜力。对3D打印部件进行UPM可解决其表面质量、尺寸精度和机械性能等问题，在模具、光学、机械和微电子等领域有重要应用，能提升产品质量和性能。UPM后处理可改善3D打印部件的表面光洁度、尺寸精度和材料性能，在生物医学领域，两者结合对实现临床应用潜力至关重要。
图2 提出的用于微结构制造的UPM和3D结合打印
UPM与3D打印技术的结合在工具、模具和生物医学等行业有广阔前景，可提高工具性能和定制性、改善模具功能和表面完整性、推动医疗设备研发。未来研究应聚焦于提高智能3D打印和智能UPM技术水平和有效性，实现两者更深度融合，以拓展应用领域，促进工业生产和加工效率提升。
图3 3D打印和UPM结合的未来前景
原文摘要
增材制造，特别是3D打印，通过以更低的成本和更高的效率生产复杂和精细的零件，彻底改变了制造业。然而，3D打印零件通常需要后处理或与其他加工技术集成，以达到所需的表面光洁度、精度和机械性能。超精密加工（UPM）是一种潜在的加工技术，通过实现高表面质量、精度和重复性来解决这些挑战。本研究概述了3D打印中UPM的当前状态，包括当前的UPM和3D打印阶段，以及UPM在3D打印中的应用。在介绍了当前阶段的视角之后，本研究详细讨论了将UPM与3D打印相结合的优势和机会，特别是在3D打印制造的UPM刀具、3D打印组件的UPM以及3D打印组件的后加工方面。最后，讨论了将两种先进技术整合到潜在行业的未来前景。本研究得出结论，UPM是3D打印组件的有前途的技术，展示了在各种应用中改善3D打印产品质量和性能的潜力。它还讨论了如何使UPM和3D打印相互补充。
引用信息
Tao HE, Wai Sze YIP, Edward Hengzhou YAN, Jiuxing TANG, Muhammad REHAN, Long TENG, Chi Ho WONG, Linhe SUN, Baolong ZHANG, Feng GUO, Shaohe ZHANG, Suet TO. 3D printing for ultra-precision machining: current status, opportunities, and future perspectives. Front. Mech. Eng., 2024, 19(4): 23
https://doi.org/10.1007/s11465-024-0792-4