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3D打印技术制造金刚石工具的可行性研究
3D打印技术出现在20世纪90年代中期，经过20年的发展，3D打印技术已经取得极大的进步，并开始广泛应用在各个领域。3D打印的特点是即使是很复杂的东西都可以神奇般的制造出来，只要使用与模型相同的材质，就能打印出和模型几乎完全一样的东西，所以它是一种实实在在重要的制造技术。其他的制造技术即使经过了数十年的努力也不过还是在集合复杂度上略有进展——而3D打印技术却可以轻而易举的解决这个问题。金刚石工具作为现今最为有效的硬脆材料加工工具，被广泛用于民用建筑与土木工程、汽车工业、交通工业、地勘与国防工业等领域和其它现代高新技术领域，而且还逐渐开始应用于宝石、医疗器械和复合非金属硬脆材料等众多新领域，社会对金刚石工具的需求量正在逐年大幅增加[1]。因此，3D打印技术制造金刚石成为了一个新的研究方向。本文对3D打印技术制造金刚石工具的可行性进行了研究，以期为这方面的研究提供一些参考。
1.3D打印
3D打印，即快速成型技术的一种，它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技术。
3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工、汽车、航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、强制以及其他领域都有所应用[2]。
3D打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，3D打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。
3D打印技术本身并不复杂，关键是使用的耗材。3D耗材的扩展，决定了3D打印机的能力边界。然而就目前而言，3D打印的耗材并不广泛，主要有ABS塑料、PC工程塑料，以及金属粉末、木材、蜡、石膏粉等[3]。虽然3D打印机可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印，但无法实现打印的材料都是比较昂贵和稀缺的。另外，3D打印机也还没有达到成熟的水平，无法支持我们在日常生活中所接触到的各种各样的材料。目前，研究者们在多材料打印上已经取得了一定的进展，如掌握核心3D打印机技术的Objet公司，目前已经研究出可以使用的14种基本材料，并在此基础上混搭出107种材料。而两种或以上材料的混搭使用，使上色也成为现实。可以预见的是随着耗材的不断拓展，3D打印的应用会越来越广泛。
2.金刚石工具
金刚石工具是指用结合剂把金刚石（一般指人造金刚石）固结成一定形状、结构、尺寸，并用于加工的工具产品。广义地，金刚石研磨膏、滚压锯片、冷镶金刚石拉丝模、冷镶金刚石刀具、钎焊金刚石复合片刀具等，也都属于金刚石工具。
按照结合剂的不同，金刚石工具可分为以下几类：金属结合剂金刚石工具、电镀结合剂金刚石工具、树脂结合剂金刚石工具、陶瓷结合剂金刚石工具等[4]。金属结合剂工艺分为烧结、电镀和钎焊等几类。1．金属结合剂金刚石工具
金属结合剂金刚石工具是以金刚石为切磨材料，以金属粉末为结合剂，利用粉末冶金的方法，经过压制成型、烧结以及必要的加工而成的一类制品。2．电镀金属结合剂金刚石工具。
电镀金属结合剂金刚石工具是通过电镀的方法，经过金属电沉积过程，将一层至数层金刚石牢固地镶在金属基体上的一种制品。3．树脂结合剂金刚石工具 树脂结合剂金刚石工具是以树脂粉为粘结材料，并加入填充材料，经过热压、硬化及机加工等工艺制成的、具有一定形状的金刚石磨削加工工具。4．陶瓷结合剂金刚石工具
陶瓷结合剂金刚石工具是利用磨料(金刚石、碳化硅等)、玻料(硼酸、氧化锌、石英、云母等)、非玻料(粘土、A1：0，等)、着色剂(红色加Fe：0。、绿色加Cr20。等)、临时粘结剂(糊精、水玻璃、液体树脂等)混合物，经过成型、烧结、修整、修锐等制造工艺形成的一种金刚石磨削加工工具。
金刚石具有坚硬性，故制成的工具特别适合加工硬脆材料尤其非金属材料，如石材、墙地砖、玻璃、陶瓷、混凝土、耐火材料、磁性材料、半导体、宝石等；也可以用于加工有色金属、合金、木材，如铜、铝、硬质合金、淬火钢、铸铁、复合耐磨木板等。目前金刚石工具已广泛应用以建筑、建材、石油、地质、冶金、机械、电子、陶瓷、木材、汽车等工业。
3.3D打印技术制造金刚石工具的优缺点
利用3D打印技术制造金刚石工具在技术上已经能够实现，不同的金刚石工具可以运用不同的3D打印技术制造。本文以制造孕镶金刚石钻头为例，制造的整体过程如下：
1.三维设计
先通过计算机上的建模软件建立所需的金刚石钻头的模型，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。
2.切片处理
打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的合金材料将这些截面逐层地打印出来形成胎体，逐层打印时合理的加入金刚石颗粒。
3.激光烧结
为了能够使各层形成一个牢固的整体，在各层截面可以采用直接金属激光烧结的方式，从而制造出一个实体。
与传统的金刚石工具制造方法相比，3D打印技术制造金刚石工具有着极大的优点，也有着致命的缺点。
优点： 1.制造复杂结构的金刚石工具不额外增加成本； 2.制造金刚石工具时可以一步到位，不需多道工序； 3.可以按需打印，零时间交付；
4.一台3D打印机可以制造多种形状的产品； 5.降低了对工人技能的要求。缺点：
1.成本高昂。3D打印所需的材料价格较高，3D打印机也较昂贵，致使成本高昂。
2.质量达不到要求。由于3D打印制造的金刚石工具并非整体成型的，所以金刚石工具的力学物理性质达不到要求，使用时损坏率极高。3.难以量产。3D打印制造金刚石工具只能一个或几个同时制造，难以大批量生产。
4.精度较低。很多金刚石工具对精度的要求很高，而现今常用的3D打印技术精度只能达到0.1毫米，难以达到要求。
因为以上的几个缺点，所以以现在的3D打印技术只能造出少量可看不可用的金刚石工具。
4.结论
3D打印技术制造金刚石工具是难以应用于大量生产，而且受材料的限制，可以生产的产品很少，即使生产出来的产品，质量也难以保证。但随着3D打印技术的进步，3D打印技术制造金刚石工具终将实现。尽管如此，3D打印技术制造金刚石工具也更适合一些小规模制造，尤其是高端的定制化产品，而非大批量的生产中。
参考文献
[1] 金刚石工具.泉州众志金刚石工具有限公司 [引用日期2013-06-3].[2] 全球首款3D打印金属手枪问世 成功发射50枚子弹.新华网 ．2013-11-9 [引用日期2013-11-9].[3] 蔡雯.3D打印全靠有米下锅.科学24小时，2013, 7.[4] 张绍和.金刚石与金刚石工具.长沙：南大学出版社，2005.
