3D打印技術(shù)在水冷板加工中的應(yīng)用研究

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，洛陽(yáng) 471009）

當(dāng)今時(shí)代飛速發(fā)展，人類工業(yè)先后發(fā)生了3次工業(yè)革命。時(shí)下，全球正在掀起第四次工業(yè)革命的浪潮，“工業(yè)4.0”的理念已經(jīng)被廣泛的接受和認(rèn)可。3D打印技術(shù)發(fā)展日新月異，具有無(wú)可估量的巨大潛力，被認(rèn)為是新一輪工業(yè)革命的重要標(biāo)志，必將在制造技術(shù)領(lǐng)域掀起一場(chǎng)新的革命[1]。

目前，3D已經(jīng)在工業(yè)設(shè)計(jì)、文化藝術(shù)、機(jī)械制造、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫(yī)學(xué)、考古、雕刻、首飾等領(lǐng)域得到了應(yīng)用[2]。而在空空導(dǎo)彈方面尚未查到有關(guān)的應(yīng)用報(bào)道，因此，關(guān)注和研究3D打印技術(shù)，探討在空空導(dǎo)彈方面的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本研究將天線水冷板作為試驗(yàn)件，由于其復(fù)雜的內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)，原來(lái)機(jī)械加工和焊接加工方法復(fù)雜和周期長(zhǎng)，首次嘗試進(jìn)行3D打印技術(shù)加工。

1 3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 3D打印的概念

3D打印技術(shù)是快速成形技術(shù)的一種，也稱增材制造（Additive Manufacturing）技術(shù)，是通過(guò)添加材料直接從三維數(shù)學(xué)模型獲得三維物理模型的綜合制造技術(shù)，集機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、激光技術(shù)于一體，可以自動(dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵2]。

1.2 3D打印的基本原理

3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的從毛坯上去除多余材料的切削加工方法不同，是一種“增量”成形技術(shù)。具體成形過(guò)程是，根據(jù)三維CAD模型，經(jīng)過(guò)格式轉(zhuǎn)化后，對(duì)零件進(jìn)行分層切片，得到各層截面的二維輪廓形狀。按照這些輪廓形狀，用噴射源選擇性噴射一層層的粘接劑或熱熔性材料，或用激光束選擇性固化一層層的液態(tài)光敏樹(shù)脂，或用燒結(jié)一層層的粉末材料，形成每一層截面二維的平面輪廓形狀，然后再一層層疊加成三維立體零件[3]。

1.3 3D打印的主要技術(shù)途徑

根據(jù)打印材料的不同及相應(yīng)的堆疊技術(shù)，實(shí)用化的3D打印技術(shù)已有十幾種，其中有代表性的5種分別是：立體光固化成型技術(shù)（Stereo Lithography Apparatus，SLA），熔融沉積成型技術(shù)（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM），分層實(shí)體制造技術(shù)（Laminated Object Manufacturing，LOM），三維打印技術(shù)（Three Dimensionnal Printing，3DP），選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（Selected Laser Sintering，SLS）[4]。

1.4 3D打印的材料

3D打印材料多種多樣，主要有石膏、尼龍、光敏樹(shù)脂、金屬材料、塑料、陶瓷材料、復(fù)合材料，甚至還有塑料垃圾、秸稈等。金屬材料包括黑色金屬（如不銹鋼）、高溫合金、有色金屬（如鈦、鎂鋁合金、鎵、鎵銦合金）、稀貴金屬（如金、純銀、黃銅等）[5]。

2 3D打印技術(shù)在天線水冷板加工中的應(yīng)用研究

2.1 天線水冷板功能和結(jié)構(gòu)

天線水冷板的主要功能是吸收大功率發(fā)熱芯片發(fā)出的熱量，以免芯片由于過(guò)熱而失效，其在結(jié)構(gòu)分為上中下3層：分別為蓋板、底板和下板3個(gè)零件，然后采用焊接技術(shù)焊在一起，最后進(jìn)行后續(xù)的加工和裝配。天線水冷板示意圖如圖1所示。

圖1 天線水冷板模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of antenna water cold plate model

2.2 天線水冷板采用3D打印加工的原因

水冷板一般加工的方法，先是將組成水冷板的3個(gè)零件分別加工，然后焊接在一起。這種加工方法有一定的缺點(diǎn)，一是底板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，里面有復(fù)雜的流道結(jié)構(gòu)，數(shù)控編程和加工工藝多，工作量較大；二是在最后焊接工藝上，對(duì)焊接技術(shù)要求較高，蓋板與底板上多個(gè)接觸區(qū)域進(jìn)行水密要求的焊接，任何一個(gè)接觸區(qū)域不能滿足水密要求都會(huì)導(dǎo)致相鄰的兩個(gè)或多個(gè)流道之間形成串流，冷卻液總是沿著流阻最小的方向流動(dòng)，這樣會(huì)造成局部區(qū)域冷卻效果惡化，不利于局部T/R模塊的散熱；三是可靠性低，在振動(dòng)、沖擊等復(fù)雜受力環(huán)境下焊縫容易受損，可能造成液體滲漏的風(fēng)險(xiǎn)。

采用3D打印技術(shù)來(lái)加工水冷板，初步考慮到有以下優(yōu)點(diǎn)：一是可以不再考慮焊接工藝可能帶來(lái)的水道串流或漏水風(fēng)險(xiǎn)；二是無(wú)需二維圖紙，從三維模型直接生產(chǎn)加工，這樣可以省去很多花費(fèi)在二維圖紙生成的時(shí)間，如各種尺寸標(biāo)注和形位公差標(biāo)注等；三是縮短研制周期，降低研發(fā)成本，成本上粗略的估計(jì)，單件大約可以節(jié)約2/3的成本。

2.3 天線水冷板3D打印過(guò)程

天線水冷板的整個(gè)3D打印過(guò)程包括4個(gè)步驟，分別是模型建模、切片處理、設(shè)備打印和后處理。

2.3.1 天線水冷板3D模型建模

3D模型是進(jìn)行3D打印的數(shù)據(jù)源頭。在天線水冷板模型建模過(guò)程中，需要考慮3D打印的技術(shù)要求和能達(dá)到的加工精度，考慮好重要的配合尺寸，和后續(xù)需要加工的尺寸，留有一定的加工余量。

采用UG 建模軟件，將水冷板拆分為蓋板、底板和下板3個(gè)零件進(jìn)行建模，而其中底板是重要的模型，里面有復(fù)雜的流道結(jié)構(gòu)，分別建好后，裝配到一起，提升模型，完成水冷板初步模型。

建好模型后，經(jīng)技術(shù)人員溝通和協(xié)調(diào)，進(jìn)行了模型更改，主要是流道在三維打印方面的特殊性，在進(jìn)行封閉時(shí)，不能直接進(jìn)行直角封閉，需要圓角過(guò)渡。修改后，完成最終的打印模型，如圖2所示。

圖2 天線水冷板3D打印模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of 3D printing model of antenna water cold plate

2.3.2 水冷板模型切片處理

模型的切片處理是通過(guò)專門(mén)的切片軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。首先是將建好的UG模型的PRT格式文件導(dǎo)出為STEP格式，經(jīng)過(guò)專用軟件格式轉(zhuǎn)化后，生成STL格式，對(duì)水冷板模型進(jìn)行分層切片處理，得到各層截面的二維輪廓形狀。

2.3.3 在3D打印機(jī)上進(jìn)行3D打印

采用的3D打印機(jī)為德國(guó)EOS公司生產(chǎn)的EOS M280型設(shè)備，最大成形尺寸為250mm×250mm×325mm。其工作原理是將3D模型各層截面的二維輪廓形狀，通過(guò)3D打印機(jī)激光束燒結(jié)一層層的粉末材料，形成每一層截面二維的平面輪廓形狀，然后再一層層疊加成零件。此項(xiàng)工作由3D打印機(jī)自動(dòng)完成，粉末采用進(jìn)口的鋁合金粉末AlSi10Mg，每一層厚度0.03mm，連續(xù)工作，最后完成水冷板的3D打印。

2.3.4 打印完成后處理

3D打印機(jī)完成打印后，需要對(duì)水冷板進(jìn)行后處理，如去除未燒結(jié)的粉末，以及內(nèi)部流道內(nèi)粉末，切除打印金屬平臺(tái)。由于考慮到后續(xù)機(jī)加工，因此沒(méi)有進(jìn)行表面拋光等。

2.4 天線水冷板內(nèi)部流道檢驗(yàn)

打印成的水冷板采用無(wú)損檢測(cè)手段進(jìn)行內(nèi)部流道的檢驗(yàn)，采用X射線透視拍片后，在強(qiáng)光下仔細(xì)觀察，可以看到水冷板內(nèi)流道清晰，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)多余物，無(wú)堵塞現(xiàn)象，可基本確定水冷板流道打印成功。

2.5 天線水冷板后續(xù)加工和裝配

此時(shí)3D打印成的水冷板相當(dāng)于一個(gè)鑄造的毛坯，主要是內(nèi)部流道加工完成，而連接接口還沒(méi)有加工，離真正在產(chǎn)品上使用還有一些距離，還需要在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行加工，主要包括兩端面加工、外直徑配合面加工、兩端面共64個(gè)定位銷(xiāo)孔、64個(gè)固定模塊安裝孔、天線32個(gè)安裝孔等。由于需要加工的銷(xiāo)和孔位置精度高，數(shù)量多，若加工超差，可能會(huì)傷及流道，造成零件的報(bào)廢，因此須在加工時(shí)選好定位基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)合適的工裝來(lái)保證加工滿足圖紙要求。

水冷板的裝配主要是兩端面共64個(gè)定位銷(xiāo)的裝配，裝配后最終的水冷板示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 水冷板最終的加工和裝配示意圖Fig.3 Schematic diagram of final machining and assembly of water cold plate

2.6 天線水冷板水壓試驗(yàn)方案

水冷板的水壓試驗(yàn)在水壓試驗(yàn)機(jī)上或水壓試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行，連接水冷板的出入口和水壓試驗(yàn)機(jī)的出入口，調(diào)節(jié)壓力開(kāi)關(guān)，逐步從小增大壓力， 觀察水冷板有無(wú)泄漏、鼓包、變形等情況，當(dāng)壓力增大到1.2MPa，保持壓力20min后，觀察水冷板有無(wú)變化。通過(guò)水壓試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證水冷板是否滿足耐壓和密封性的要求。

2.7 天線水冷板流阻的測(cè)試

考慮到3D打印表面質(zhì)量比機(jī)加工差的特點(diǎn)，外表面表面質(zhì)量可以通過(guò)后續(xù)的加工來(lái)彌補(bǔ)；但內(nèi)部流道的表面質(zhì)量差，沒(méi)有好的辦法彌補(bǔ)，可能會(huì)增加流阻，影響散熱效果。通過(guò)采用專門(mén)的流阻測(cè)試設(shè)備測(cè)量在不同流量條件壓降， 繪制出水冷板的流量-流阻曲線， 分析對(duì)比流阻增大的情況。

2.8 天線水冷板散熱性能試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證3D打印的水冷板的散熱特性，采用打印的水冷板和加工焊接的水冷板進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)散熱性能的對(duì)比來(lái)驗(yàn)證。

試驗(yàn)采用設(shè)備主要包括液冷設(shè)備(含流量計(jì)、壓力表)、模擬熱源（含發(fā)熱電阻、調(diào)壓器、功率表、加熱電源）、溫度記錄儀、連接管路等。

試驗(yàn)的重點(diǎn)是熱源模擬，熱源模擬采用發(fā)熱電阻串聯(lián)的方法，用導(dǎo)熱絕緣膠粘（或螺釘固定）在紫銅板上，形狀近似模塊的紫銅板固定在水冷板上，發(fā)熱電阻的加熱量由調(diào)壓器控制，并由功率表測(cè)量發(fā)熱量。在水冷板另一面布置熱電偶，并連接到溫度記錄儀上。對(duì)兩種水冷板分別進(jìn)行測(cè)量，改變冷卻液的溫度和流量，并通過(guò)調(diào)壓器改變輸入電壓來(lái)改變發(fā)熱電阻的發(fā)熱量，記錄多組溫度測(cè)試數(shù)據(jù)。最后對(duì)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，來(lái)分析對(duì)比兩種水冷板的散熱性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

3D打印的天線水冷板雖然沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)際裝機(jī)應(yīng)用，沒(méi)有驗(yàn)證是否能否滿足天線的散熱要求，但通過(guò)X射線拍照觀察內(nèi)部流道的加工情況，以及后續(xù)的加工和裝配過(guò)程，3D打印技術(shù)加工出的水冷板能夠滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，大大縮短研制周期、降低成本，提高研制效率。

從天線水冷板模型建立到零件打印成功過(guò)程來(lái)看，三維CAD模型是3D打印技術(shù)源頭，核心和關(guān)鍵是3D打印設(shè)備。3D打印成本主要是3D打印設(shè)備和材料上，3D打印設(shè)備和原材料一般是進(jìn)口，價(jià)格較高，因此單件零件的成本較高，若數(shù)量大，成本會(huì)大大降低。展望在空空導(dǎo)彈上應(yīng)用方面，那些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳統(tǒng)方法加工困難、成本較高結(jié)構(gòu)零件可以考慮和采用3D打印技術(shù)進(jìn)行加工。隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步，打印精度提高，打印成本降低，3D打印技術(shù)在空空導(dǎo)彈應(yīng)用會(huì)更廣泛。

[1]劉銘，張坤，樊振中.3D打印技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展[J].裝備制造技術(shù)， 2013(12)：232-235.

LIU Ming， ZHANG Kun， FAN Zhenzhong.Application of 3D printing technology in the field of aviation manufacturing[J].Equipment Manufacturing Technology，2013(12)：232-235.

[2]李小麗，馬劍雄，李萍，等.3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢(shì)[J].自動(dòng)化儀表，2014，35(1)：1-5.

LI Xiaoli， MA Jianxiong， LI Ping， et al.3D printing technology and its application trend[J].Process Automation Instrumentation，2014，35(1)：1-5.

[3]張曙，金天拾，黃仲明.三維打印的現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2013，42(2)：1-5.

ZHANG Shu，JIN Tianshi，HUANG Zhongmi.The state of act and trends of 3D printing[J].Machine Design and Manufacturing Engineering，2013，42(2)：1-5.

[4]牛一帆.3D打印技術(shù)探究[J].印刷質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)， 2014(2)：8-11.

NIU Yifan.3D printing technology to explore[J].Printing Quality &Standardization， 2014(2)：8-11.

[5]余冬梅，方奧，張建斌.3D打印材料[J].金屬世界，2014(5)：6-13.

YU Dongmei， FANG Ao， ZHANG Jianbin.3D Printing Materials[J].Metal World， 2014(5)：6-13.