金屬絲材的電弧3D打印成形研究

楊秀芝,華文林,董春法,楊春杰,王向杰

(湖北理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,湖北 黃石 435003)

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金屬絲材的電弧3D打印成形研究

楊秀芝,華文林,董春法,楊春杰,王向杰

(湖北理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,湖北 黃石 435003)

摘要：金屬絲材的電弧3D打印成形工藝因具有制造高效率、高柔性、低能耗、易于實(shí)現(xiàn)大尺寸等優(yōu)點(diǎn)成為研究熱點(diǎn)。研究了打印速度、電壓和電流對成形零件打印層高和層寬的影響；開發(fā)出與打印工藝參數(shù)、CAD切面算法、零件成形匹配且界面友好的3D打印軟件系統(tǒng)；利用自行開發(fā)的在線打印系統(tǒng)打印出典型的結(jié)構(gòu)零件。打印件具有成形良好、精度較高、致密性高等優(yōu)點(diǎn)，驗(yàn)證了打印軟件算法的正確性、弧焊金屬絲打印和修復(fù)結(jié)構(gòu)件的可行性。

關(guān)鍵詞：金屬絲材；弧焊3D成形；打印軟件

3D打印成型技術(shù)是上世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的一項(xiàng)嶄新技術(shù),其以增材制造為思想，綜合數(shù)控、計(jì)算機(jī)、機(jī)械工程及材料科學(xué)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)于一體，以降維制造為手段，是實(shí)現(xiàn)三維原件成形的先進(jìn)技術(shù)。電弧成形增材制造技術(shù)采用電弧作為熱源，將金屬絲材熔化逐層沉積，從而制造出接近產(chǎn)品設(shè)計(jì)尺寸要求的三維金屬胚件，再輔以少量機(jī)械加工，最終達(dá)到產(chǎn)品尺寸設(shè)計(jì)要求。與基于激光做熱源的激光選區(qū)熔化(SLM)、激光近成形(LENS)等技術(shù)相比，具有制造效率高(幾公斤/小時(shí)，為SLM技術(shù)的10～100倍)、高柔性(可以多維度曲面自由成形)、節(jié)能降耗(電-電弧轉(zhuǎn)換率85%以上、激光電-光轉(zhuǎn)換率小于10%)、易于實(shí)現(xiàn)大尺寸制造等優(yōu)點(diǎn)[1-7]。由于無需粉末床等設(shè)施，可直接在原(損壞)金屬零部件上直接成形，因此特別適合于破損零部件的在線式維修再制造。然而，基于金屬材料的3D打印成型技術(shù)至今仍存在許多瓶頸問題，其中最突出的是兩方面的問題：①金屬3D打印技術(shù)可使用的材料種類較少，急需開發(fā)適合3D打印成型的金屬絲材；②直接打印成型的金屬零件尺寸難控制且表面質(zhì)量低，一般需要1～5 mm的切削量。因此，非常有必要開展對金屬絲材的3D打印工藝和打印精度的研究。

1實(shí)驗(yàn)方法

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料

1)實(shí)驗(yàn)設(shè)備：MOTOMAN-UP20弧焊機(jī)器人系統(tǒng);MOTOWELD-S350 CO2自動焊機(jī);Kempotig AC/DC 250氬弧焊機(jī)。

2)實(shí)驗(yàn)材料:YCJ501-1藥芯焊絲，成分見表1,主要用于碳鋼及500 MPa級高強(qiáng)鋼的堆積;焊絲直徑為Φ1.2 mm。本實(shí)驗(yàn)保護(hù)氣體為20%氬氣和80%二氧化碳的混合氣體。

表1　YCJ501-1的熔敷金屬化學(xué)成分

3)堆積基板:280 mm×140 mm×12 mm的Q235鋼。為了使基板具有良好的導(dǎo)電性，使用前必須去除表面的鐵銹和氧化層，將基板用砂輪機(jī)進(jìn)行打磨。

1.2打印工藝參數(shù)

3D打印工藝參數(shù)(電流、電壓和速度)直接影響結(jié)構(gòu)件的成形。本實(shí)驗(yàn)分別選取8個不同打印速度20，40，60，80，100，115，130，150 cm/min進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，堆積電流為100，160，220，280，340 A，電壓為：14,21,35,42 V,打印成型時(shí)保持1種參數(shù)變化，另2種參數(shù)保持不變，且每組參數(shù)堆一個成形件。

2堆積速度對直壁堆積成形工藝的影響

按照給定的打印工藝參數(shù)，每個成形件堆積8層，前2層打底，后面6層用于測量不同打印層的熔高和熔寬，每層測量點(diǎn)在同一個位置。依此，通過測量電弧堆積層的熔寬和熔高來研究打印工藝參數(shù)對打印件壁厚和層高的影響。每層分別測量層高和層寬，每個數(shù)據(jù)測量3次，取平均值。記錄實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，并采用OriginPro對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到不同工藝參數(shù)下打印件層高、層寬隨打印層變化的折線圖。

2.1打印速度對堆積件層高、層寬的影響

不同速度下打印層高與打印層數(shù)關(guān)系見圖1。由圖1可以得出不同打印速度下，打印件的層高隨堆積道次的增加均增高，而且呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性。在同一打印速度下，一般每增加一層，堆積件的層高都會有明顯的變化，而層寬基本不變化；打印電流和電壓不變時(shí)，隨著堆積速度的增加,熔高、熔寬均減小。

圖1　不同速度下打印層高與打印層數(shù)關(guān)系

單道多層層高與打印速度關(guān)系見圖2，單道多層層寬與打印速度關(guān)系見圖3。圖2和圖3表明其他打印參數(shù)不變情況下，打印件層高和層寬隨打印速度增加而減少，呈負(fù)相關(guān)性。

單道多層層寬與打印電流關(guān)系見圖4。圖4表明在其他參數(shù)不變的情況下，層寬隨打印電流的增加而增加，呈正相關(guān)性，因此編寫弧焊3D打印成型分層軟件時(shí)對層高要逐層分析，而對層寬只分析某一打印速度下層寬的平均值即可。

圖2單道多層層高與打印速度關(guān)系圖3單道多層層寬與打印速度關(guān)系圖4單道多層層寬與打印電流關(guān)系

2.2打印電壓和電流對堆積件層高的影響

不同打印電壓和電流下層高與打印層的關(guān)系見圖5。由圖5可見，隨著電壓的增大，層高的變化趨勢并不明顯，影響程度非常輕微；隨著堆積電流的增大，電流對熔高的影響越來越小。

(a)　速度為60 cm/min，電流為220 A

(b)　速度為60 cm/min，電壓為28 V

3金屬絲3D打印專用工藝規(guī)劃軟件研發(fā)

金屬絲材3D打印軟件開發(fā)的關(guān)鍵是從零件模型到3D打印制造技術(shù)接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理軟件?；诹慵Ｐ偷?D打印軟件系統(tǒng)一般由3個部分組成[1-4]：零件模型獲取軟件(系統(tǒng))、模型處理軟件和監(jiān)控軟件。本研究自行開發(fā)的軟件界面友好，支持單道多層和多道多層成形、自適應(yīng)搭接量技術(shù)和尺寸誤差補(bǔ)償。對金屬直接成形過程的控形技術(shù)研究，是提高成形精度的技術(shù)研究。影響成形進(jìn)度的因素包括功率大小、掃描方式、電流大小(弧焊成形)等工藝參數(shù)，應(yīng)選取合適的掃描方式，降低成形過程中應(yīng)力的累積，減小成形變形；研究工藝參數(shù)對成形精度的影響規(guī)律，優(yōu)化出最佳的工藝參數(shù)使成形精度達(dá)到最高。

本研究利用 OpenGL 自身圖形操作函數(shù)，在 VC++環(huán)境下進(jìn)行金屬絲材打印成型編程和軟件模塊設(shè)計(jì)。金屬絲3D打印軟件模塊圖見圖6。

圖6　金屬絲3D打印軟件模塊圖

在開發(fā)本打印軟件時(shí)，針對相關(guān)參數(shù)設(shè)置，對堆焊路徑做一些單獨(dú)的優(yōu)化處理，具體包括以下幾個方面：水平方向尺寸補(bǔ)償、高度方向補(bǔ)償、焊接路徑規(guī)劃和旋轉(zhuǎn)、支持打印參數(shù)監(jiān)控及修改的功能等?；谏鲜龃蛴?shù)對層高和層寬影響研究的數(shù)據(jù)支持，在線金屬弧焊3D打印系統(tǒng)重疊界面如圖7所示。

圖7　在線金屬弧焊3D打印系統(tǒng)重疊界面

4不同形狀薄壁構(gòu)件3D打印堆積實(shí)例

本實(shí)驗(yàn)堆積了一U形件和回轉(zhuǎn)件，氣流量q=18 L/min(100%Ar)。U型件工藝參數(shù)：電壓28 V，電流220 A，速度60 cm/min；回轉(zhuǎn)件工藝參數(shù)為：電壓12.6 V ，電流76 A，速度36 cm/min。在線金屬弧焊3D打印系統(tǒng)本體及打印件見圖8。

由圖8可以看出，U形件和回轉(zhuǎn)件均成形良好，沒有咬邊、氣孔等缺陷，而且飛濺小，同時(shí)過渡處也沒有出現(xiàn)塌陷等缺陷。層寬與堆積形狀無關(guān)，而成形件的表面精度與形狀有關(guān)。無論是U形還是圓行，熔寬的標(biāo)準(zhǔn)差都小于熔高，這說明內(nèi)外壁的精度高于上壁。同時(shí)，打印件的角度也會對精度造成一定影響，U形時(shí)，角度為90°，轉(zhuǎn)角處的熔高與直壁處沒什么區(qū)別；而三角形在小角度30°處的層高達(dá)到48 mm，與直壁處相差較大。這說明，角度過小時(shí)在轉(zhuǎn)角處會發(fā)生比較大的尺寸偏差。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，每個堆積件隨機(jī)測量15個點(diǎn)的堆積熔高以及其熔寬，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表2所示。由表2中數(shù)據(jù)可知，堆積件的壁高和壁寬的尺寸標(biāo)準(zhǔn)差值控制在1 mm范圍內(nèi)。

圖9是齒輪件輪廓原件及打印修復(fù)件對比圖，兩零件相似度極高，可見3D打印技術(shù)可以在零件的修復(fù)中發(fā)揮巨大作用；利用實(shí)驗(yàn)所得參數(shù)進(jìn)行3D打印堆焊熔積成形時(shí)，所得成形件成形良好，精度較高。

圖8在線金屬弧焊3D打印系統(tǒng)本體及打印件

圖9齒輪件輪廓原件及打印修復(fù)件圖

表2不同形狀打印層高、層寬數(shù)據(jù)測量值mm

類別最小值最大值相差平均值標(biāo)準(zhǔn)差U形件壁高66.0469.943.9068.70.99壁寬8.5610.021.469.390.46三角形件壁高42.9244.901.9844.080.72壁寬8.829.540.729.030.30圓形件壁高77.1078.011.0977.400.63壁寬14.9516.361.4115.100.45齒齒高67.6168.901.3968.900.73齒寬61.5863.011.4367.630.68

5結(jié)論

針對不同制件應(yīng)采用不同的工藝參數(shù)，以此實(shí)現(xiàn)對打印件質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制；可以在同一制件的不同地方采用不同分層參數(shù)提高零件的形狀和尺寸精度；通過進(jìn)一步優(yōu)化速度、電壓和電流等打印工藝參數(shù)，可以得到一套能保證尺寸精度的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫。

參 考 文 獻(xiàn)

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(責(zé)任編輯吳鴻霞)

收稿日期：2016-03-21

基金項(xiàng)目：湖北省教育廳青年項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：Q20123001);湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：2014CFB177);湖北理工學(xué)院校級博士引進(jìn)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：11yjz01R);湖北理工學(xué)院校級重大項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：2015A05)。

作者簡介：楊秀芝,副教授，博士，研究方向：模具新材料的開發(fā)、設(shè)計(jì)及表面強(qiáng)化，3D打印技術(shù)。

doi:10.3969/j.issn.2095-4565.2016.03.001

中圖分類號：TB302.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-4565(2016)03-0001-04

Study on 3D Printing Manufacture of Metal Wire's Electric Arc

Yang Xiuzhi,Hua Wenlin,Dong Chunfa,Yang Chunjie,Wang Xiangjie

(School of Mechanical and Electrionic Engineering,Hubei Polytechnic University,Hubei Huangshi 435003)

Abstract：3D printing manufacturing of metal wire's electric arc has become the research focus because of its high efficiency,high flexibility,low energy consumption and size flexibility.The effects of printing speed,voltage and current on printing layer's width and height of molding parts have been studied.3D printing software system with friendly interface has been developed to match the printing process parameters,CAD cutting algorithm and parts formation.The typical structure parts are printed by the online self-developed printing system The printed things have such advantages as better formation,higher precision and density,which testifies the correctness of the algorithm of the printing software,the feasibility of repairing and printing structure parts by metal wire's electric arc.

Key words：metal wire;arc welding in 3D shape;printing software