3D冷打印技術(shù)

北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院 張欣悅 郭志猛 陳存廣 葉 青 柏鑒玲

金屬3D打印技術(shù)使得金屬零件“直接制造”成為了可能，而不再局限于制造非功能性的模具，是3D打印技術(shù)重要的發(fā)展方向[1]。目前主流的金屬3D打印技術(shù)包括：黏結(jié)劑噴射(Binder Jetting，BJ)、選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，SLS)、選擇性激光融化(Selective Laser Melting，SLM)、直接金屬激光燒結(jié)(Direct Metal Laser Sintering，DMLS)、電子束熔融(Electron Beam Melting，EBM)和電子束直接制造(Electron Beam Direct Manufacturing，EBDM)[2-10]。

黏結(jié)劑噴射(BJ)是首先在打印平臺上平鋪一薄層原料粉末，然后打印機噴頭根據(jù)這一層的截面形狀在粉末上噴出一層特殊的膠水，噴到膠水的薄層粉末固化，在這一層上再鋪上同樣厚度的粉末，噴頭按下一截面形狀噴射膠水，如此層層疊加，得到一個初步黏結(jié)而成的坯體；將坯體放置在熔爐中注入額外的熔融金屬，熔融金屬固化穩(wěn)定住其外形結(jié)構(gòu)。SLS技術(shù)采用金屬材料與低熔點黏結(jié)材料的混合粉末作為原材料，將薄薄一層原料粉末平鋪在打印平臺上，將粉末預(yù)熱到接近粘結(jié)材料的熔點，使用激光束選擇性加熱粉末顆粒，使低熔點黏結(jié)材料燒結(jié)或融化，將金屬材料黏結(jié)，不斷重復(fù)鋪粉、燒結(jié)過程，直至完全成形整個模型。SLM技術(shù)與SLS技術(shù)原理相同，但直接用激光束完全熔化金屬粉體，成形性能得以顯著提高。DMLS技術(shù)是SLS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，將低熔點黏結(jié)材料改為低熔點金屬黏結(jié)材料，并且與SLS技術(shù)先鋪粉后激光掃描燒結(jié)不同，DMLS技術(shù)是邊鋪粉邊燒結(jié)。EBM技術(shù)原理與SLS、SLM和DMLS等技術(shù)原理相似，但是在高真空度的打印腔中使用電子束完成對金屬粉末的熔融。 EBDM技術(shù)則是將打印材料直接送入打印頭，用電子束直接在機頭熔融和打印材料，可以說是一滴一滴地打印金屬材料。大多數(shù)金屬3D打印技術(shù)是逐層鋪設(shè)金屬粉末，然后將其中的一些金屬顆粒固定在一起，形成最終的物體；其余未被固定的金屬顆粒則起到了支撐作用，并能在下一次打印中循環(huán)利用。

為了能快速穩(wěn)定地在打印平臺上鋪設(shè)足夠薄的一層原料粉末，這類金屬3D打印技術(shù)需要粒度范圍窄、流動性良好的細(xì)小球形粉末。利用高能束使原料粉末燒結(jié)、熔融的金屬3D打印技術(shù)，除了本身的設(shè)備成本，還需要很多輔助保護(hù)工藝，整體的技術(shù)難度較大。故而金屬3D打印技術(shù)應(yīng)用范圍主要集中在航空航天、儀器制造、醫(yī)療保健、電子行業(yè)等高端制造領(lǐng)域。隨著金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展，制造的零件機械性能不斷提升，其致密性、強度已經(jīng)與鍛件基本相當(dāng)，將來甚至還會有所超越。

3D冷打印技術(shù)概述

新型金屬3D打印技術(shù)——3D冷打印技術(shù)用低粘度、高固含量的金屬粉末料漿來代替3D打印的原材料，把這種料漿當(dāng)做打印的“墨水”，在室溫或低溫條件下實現(xiàn)金屬零件坯體的逐層打印，因此稱為“冷打印”。圖1是3D冷打印技術(shù)工藝流程。

3D冷打印技術(shù)的幾個關(guān)鍵步驟如下。

(1) 配制低粘度、高固相含量的金屬料漿。

圖1 3D冷打印技術(shù)工藝流程示意圖

將有機單體和交聯(lián)劑按一定配比溶入適量的溶劑中，配制成預(yù)混液；在其中加入適量的金屬粉末和分散劑攪拌均勻，調(diào)制成一種高固相含量的懸浮液(料漿)。

決定料漿質(zhì)量的關(guān)鍵因素有2個[11]：一是金屬或陶瓷粉末的固相含量[12]；二是漿體流動性(粘度)。固相含量直接決定成形坯體的密度，高固相含量還可以減少坯體在干燥過程中的收縮和翹曲，提高燒成密度，因此要盡可能提高料漿的固相含量。流動性良好的料漿在冷打印過程中容易噴射而出，成形的坯體表面性能也較好。但固相含量過高會影響料漿的流動性，因此需采用合適的分散劑及分散技術(shù)調(diào)節(jié)料漿的流動性[13]。用于3D冷打印工藝的金屬料漿，一般要求其粘度低于1Pa·s、固相體積分?jǐn)?shù)高于55%，這是打印高密度、均勻坯體的關(guān)鍵。

(2) 3D冷打印成形。

3D冷打印過程中，金屬料漿通過噴頭噴射到打印平臺上，同時通過熱引發(fā)、化學(xué)引發(fā)等方式引發(fā)料漿中有機單體的聚合反應(yīng)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將金屬粉體原位包覆固定[14-16]，使噴射到打印平臺上的金屬料漿迅速固化，由此實現(xiàn)金屬坯體的逐層打印。其中，熱引發(fā)通過熱源使“金屬料漿”固化，化學(xué)引發(fā)則是借鑒多噴頭彩色打印的原理，利用兩個噴頭交替作用將料漿和化學(xué)引發(fā)劑混合，引發(fā)料漿原位固化。圖2為金屬料漿原位固化原理示意圖。

(3) 脫脂、燒結(jié)。

3D冷打印成形的坯體中有機物含量很少，因此無需專門而嚴(yán)格的脫脂工序。脫脂可以獨立進(jìn)行也可以和燒結(jié)過程同時進(jìn)行[17]。以低粘度、高固相含量金屬料漿為原料冷打印成形的坯體密度較高，脫脂后的坯體極易燒結(jié)致密化。

圖2 金屬料漿原位固化原理示意圖

3D冷打印技術(shù)應(yīng)用探究

1 封閉式葉輪

封閉式葉輪型腔空間小、葉片數(shù)量多、葉片壁薄、葉輪前盤厚度薄且成中空環(huán)狀，給整體鑄造帶來很多技術(shù)困難。因此，目前國內(nèi)外通常采用葉輪前后盤及葉片和軸盤單獨制作，再焊接或鉚接組合的方式。通過該方式制造封閉葉輪不但制造工序復(fù)雜，而且在長時間使用后，容易產(chǎn)生斷裂、鉚釘松動、葉輪變形等故障[18]。為驗證3D冷打印技術(shù)成形復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的能力，選擇通過3D冷打印技術(shù)一體化成形封閉式葉輪。

圖3 封閉式葉輪三維模型

通過AutoCAD軟件建立如圖3所示封閉式葉輪三維模型，將封閉式葉輪模型三維線性尺寸按117%(燒結(jié)收縮比17%)放大，葉輪模型經(jīng)分層切片處理后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?D冷打印設(shè)備中。采用甲苯作為溶劑，甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)作為有機單體，N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，配制成有機單體HEMA濃度為20%的預(yù)混液，在其中加入316L不銹鋼粉末和適量分散劑油酸，攪拌均勻后制得固相體積分?jǐn)?shù)為60%的316L不銹鋼料漿。料漿粘度為0.92Pa·s，滿足使用要求。脫氣后的料漿通過3D冷打印設(shè)備打印成形。打印過程中，以過氧化苯甲酰(BPO)作為引發(fā)劑，引發(fā)料漿的固化反應(yīng)。以相同的316L不銹鋼料漿和同樣的打印條件，3D冷打印成形封閉式葉輪坯體和力學(xué)性能試樣坯體。對葉輪坯體和力學(xué)性能試樣坯體進(jìn)行脫脂和燒結(jié)處理。圖4為316L不銹鋼封閉式葉輪。

由此可以得出結(jié)論，通過3D冷打印技術(shù)能夠成形任意復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)金屬零件。3D冷打印成形316L不銹鋼的燒結(jié)體性能和美國MPIF標(biāo)準(zhǔn)見表1。比較后可以發(fā)現(xiàn)，通過3D冷打印技術(shù)制備的燒結(jié)316L不銹鋼的力學(xué)性能遠(yuǎn)高于美國MPIF標(biāo)準(zhǔn)。

2 異質(zhì)材料復(fù)合葉輪葉片

圖4 316L不銹鋼封閉式葉輪

表1 燒結(jié)態(tài)316L不銹鋼封閉葉輪性能

隨著大容量汽輪機組的發(fā)展，末級葉片的長度和通流面積不斷增加，葉片自重隨之增加，導(dǎo)致葉輪輪緣離心力大幅度提高，甚至超過合金結(jié)構(gòu)鋼葉輪的許可應(yīng)力[20]。而鈦合金的密度小、強度高，比強度大大超過不銹鋼，使用鈦合金葉片比不銹鋼葉片減重10%～35%,能顯著降低葉輪的離心力。提出采用3D冷打印技術(shù)實現(xiàn)同步打印復(fù)合葉輪葉片的設(shè)想，即通過3D冷打印技術(shù)制造TC4鈦合金葉輪葉片，在葉輪基體外表面設(shè)計成分為TC4-10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))TiC的保護(hù)層，以增加葉片表面耐磨性和耐腐蝕性。使用proe wildfire 5.0建立如圖5所示TC4+TC4-10%TiC異質(zhì)材料復(fù)合葉輪葉片模型，將復(fù)合葉輪葉片三維線性尺寸按118.2%(收縮比18.2%)放大，并且將葉輪模型TC4芯部和TC4-10%TiC保護(hù)層設(shè)定為通過不同的兩個噴頭同時打印，模型經(jīng)分層切片處理后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?D冷打印設(shè)備中。

將有機單體丙烯酰胺(AM)、交聯(lián)劑N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAM)以適當(dāng)濃度溶解于去離子水，制成有機單體AM濃度20%、均一透明的預(yù)混液；向預(yù)混液中加入分散劑氨水和消泡劑異辛醇后與TC4鈦合金粉末混合攪拌，在N2氣氛下球磨20h，獲得固相體積分?jǐn)?shù)為57%的TC4鈦合金粉末懸浮漿料。以同樣的方式制備出固相體積分?jǐn)?shù)為57.4%的TC4-10%TiC粉末料漿。TC4鈦合金粉末料漿和TC4-10%TiC粉末料漿分別由兩套送料系統(tǒng)輸送至兩個噴頭中，在3D冷打印設(shè)備中同步組合打印。

3D冷打印技術(shù)特點

3D冷打印技術(shù)以低粘度、高固相含量的金屬料漿為打印原料，在室溫或低溫條件下，逐層打印成形金屬零件坯體，坯體經(jīng)干燥、脫脂和燒結(jié)后，制得致密的金屬零件，其主要工藝特點如下。

(1) 原料粉末不受限制。3D冷打印技術(shù)對原料粉末要求低，大部分金屬、陶瓷粉末都已開發(fā)出了較為成熟的料漿體系，配制的料漿性能滿足3D冷打印技術(shù)的要求。

(2) 卓越的成形能力。3D冷打印技術(shù)能一體化成形具有任意復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的金屬零件坯體，坯體經(jīng)干燥、脫脂和燒結(jié)制得致密的金屬零件。

(3) 設(shè)備造價低。不需要金屬制品高能束成形時所需的高純惰性氣氛或高真空度保護(hù)裝置和高能束加熱融化系統(tǒng)，因此設(shè)備造價大幅降低。

圖5 TC4+TC4-10%TiC復(fù)合葉輪葉片三維模型

(4) 生產(chǎn)效率高。通過對引發(fā)作用的調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)即時固化，生產(chǎn)周期短。技術(shù)的主要部分僅為成形和燒結(jié)，工序簡單，無需繁雜的后續(xù)處理，易集成化，技術(shù)成熟后投入工業(yè)化生產(chǎn)可能性高。

3D冷打印技術(shù)為復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)金屬制品的生產(chǎn)制造提供新方法和新思路，將傳統(tǒng)減材制造轉(zhuǎn)換為增材制造，可以節(jié)約大量原材料，該技術(shù)不受形狀限制，使更多異形金屬制品的制造成為現(xiàn)實。3D冷打印技術(shù)無需使用激光，直接在常溫或低溫下成形，成形后坯體再經(jīng)干燥、脫脂和燒結(jié)得到致密金屬件，是一種新型的易實現(xiàn)、高效率、低成本的金屬3D打印技術(shù)，并且3D冷打印技術(shù)對原料粉末幾乎無限制，從金屬及其合金粉末、金屬基復(fù)合材料粉末延伸擴展到陶瓷粉末、生物材料等，除金屬基結(jié)構(gòu)件、應(yīng)力件和功能件以外，亦可成形制造多孔材料、陶瓷、人體骨骼等產(chǎn)品，應(yīng)用前景十分寬廣。

結(jié)論

(1) 3D冷打印技術(shù)以低粘度、高固相含量的金屬粉末料漿為打印“墨水”，所使用的原料粉末無限制，無需使用高能束加熱燒結(jié)融化金屬粉末，打印過程在室溫或低溫條件下進(jìn)行，設(shè)備和制造成本低廉，是一種新型的易實現(xiàn)、高效率、低成本的金屬材料3D打印技術(shù)。

(2) 3D冷打印技術(shù)能夠近凈成形具有任意復(fù)雜外形及內(nèi)腔的金屬坯體，坯體經(jīng)干燥、脫脂和燒結(jié)制得的金屬零件，形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能等均滿足設(shè)計要求及目的。

(3) 3D冷打印技術(shù)除制造金屬零件以外，還可延伸應(yīng)用到陶瓷材料、生物材料、多孔材料等材料的生產(chǎn)制造中，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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