金屬材料噴射沉積3D打印工藝

單忠德，楊立寧，劉豐，戎文娟，劉倩

?

金屬材料噴射沉積3D打印工藝

單忠德，楊立寧，劉豐，戎文娟，劉倩

(機械科學研究總院先進成形技術(shù)與裝備國家重點實驗室，北京，100083)

針對現(xiàn)有金屬材料3D打印技術(shù)存在成本高、效率低的問題，提出一種由三維CAD模型驅(qū)動數(shù)控系統(tǒng)，直接實現(xiàn)多品種、小批量、結(jié)構(gòu)復雜金屬零部件柔性、高效制造的方法—噴射沉積3D打印成形，介紹該工藝原理。搭建了實驗平臺，并以鉍錫合金為成形材料，采用單道、單層、實體分層次的工藝試驗過程，分別研究噴頭孔徑、噴頭移動速度、送氣速度對單道成形軌跡的影響，成形路徑、路徑搭接率對單層成形表面形貌的影響，最后對噴射沉積3D打印成形鉍錫合金實體的斷口進行觀察。研究結(jié)果表明：當噴頭孔徑為0.6 mm、送氣速度為10 mL/min、噴頭移動速度為10 mm/s時，所得單道成形軌跡均勻性較好；當采用S形路徑及搭接率為50%時，可以獲得較高質(zhì)量單層成形表面；噴射沉積3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)金屬件的快速高效制造，成形效率可達50 cm3/h，為現(xiàn)有成熟金屬件3D打印成形技術(shù)的2~3倍。

3D打??；噴射沉積；鉍錫合金

目前，金屬零部件產(chǎn)品因其具有力學性能高、實用意義大等優(yōu)點，在制造業(yè)中得到廣泛的應用。而傳統(tǒng)的金屬件制造工藝，以鑄造、鍛造為主，存在工序繁瑣、周期長、污染嚴重、材料浪費及可重復利用率低等問題，即不能滿足市場對小批量、低成本、多品種、高質(zhì)量、結(jié)構(gòu)復雜產(chǎn)品的靈活制造需求，也不符合我國對工業(yè)發(fā)展的節(jié)能減排要求。以增材制造(俗稱3D打印[1])為代表的大量快速、高效、清潔的柔性制造技術(shù)的產(chǎn)生，不但提升了產(chǎn)品設計及制造水平，有效解決了個性化、小批量生產(chǎn)與制造成本之間的矛盾，同時促進了傳統(tǒng)的大批量制造模式向個性化制造模式的發(fā)展[2]。實現(xiàn)金屬件的3D打印是該技術(shù)發(fā)展的重要目標和必然趨勢。目前，較成熟的金屬件增材制造技術(shù)主要有激光選區(qū)燒結(jié)[3?4]、選區(qū)激光熔化[5?7]、激光近凈成形[8?11]和電子束選區(qū)熔化技術(shù)[12?15]等，雖然國內(nèi)外在相關(guān)技術(shù)研究及設備開發(fā)方面取得了較多的成果，但仍然存在成形效率低、技術(shù)及設備成本高的問題。本文作者基于以上現(xiàn)狀，提出一種由三維CAD模型驅(qū)動數(shù)控系統(tǒng)直接制造金屬件的方法—噴射沉積3D打印成形技術(shù)。該技術(shù)源于離散/堆積的分層制造原理，是在真空或惰性氣體保護環(huán)境下直接將預成形金屬材料進行快速熔化，然后通過三維運動控制系統(tǒng)進行熔融金屬的逐層沉積成形，最終實現(xiàn)多品種、小批量、結(jié)構(gòu)復雜金屬零部件的一次性高效制造。

1 工藝試驗規(guī)劃

本研究搭建了噴射沉積3D打印成形實驗平臺，以鉍錫低熔點合金(成分為錫質(zhì)量分數(shù)42%、鉍質(zhì)量分數(shù)58%，熔點為138 ℃)為成形原材料，采用單道、單層、實體分層次的試驗過程進行工藝試驗研究，驗證該技術(shù)的可行性。試驗過程首先將鉍錫合金塊材放入熔化爐中，然后在氮氣保護環(huán)境下加熱到160 ℃，靜置30 min，待鉍錫合金完全熔化后，通過調(diào)節(jié)向熔化爐腔內(nèi)送入氮氣的速度來控制熔融合金由下端噴嘴噴出的速度，同時通過PMAC控制軟件來實現(xiàn)成形平臺的三維移動。由于鉍錫低熔點合金不易被氧化，因此試驗過程在大氣環(huán)境下進行。成形過程中，分層厚度設定為1 mm，成形平臺溫度控制在60 ℃。

2 單道成形試驗及結(jié)果分析

金屬件的噴射沉積3D打印成形過程是由熔融金屬按照預先規(guī)劃好的單道沉積路徑，經(jīng)過交錯疊加來成形金屬件。因此單道成形性能對最終成形件的質(zhì)量起到?jīng)Q定性作用。本文將成形軌跡寬度及軌跡均勻性作為評價單道成形性能的主要指標，研究在不同送氣速度、噴頭孔徑及噴頭移動速度條件下的單道成形性能。

噴頭移動速度1和熔融金屬噴出速度2的匹配是影響單道成形過程的關(guān)鍵因素，因此本研究首先在固定噴頭孔徑的條件下，研究噴頭移動速度和熔融金屬噴出速度的匹配關(guān)系以及它們對單道成形軌跡寬度的影響規(guī)律。由于本研究中采用送氣速度來調(diào)節(jié)熔融金屬的噴出速度，假設當熔化爐腔內(nèi)氣壓達到平衡時的送氣速度為。將熔融金屬單道沉積軌跡截面近似為矩形，則矩形的邊長即為沉積軌跡寬度。在不考慮成形過程中材料出現(xiàn)膨脹和收縮的前提下，則有

則

(2)

由式(2)可見：如果噴頭移動速度不變，隨著送氣速度的增加，沉積軌跡寬度變大；相反，如果送氣速度不變，隨著噴頭移動速度的增大，沉積軌跡寬度變窄。因此，噴頭移動速度和送氣速度應合理匹配，噴頭移動速度增大，送氣速度也應相應增大；噴頭移動速度減小，送氣速度也應相應減小。

圖1所示為固定噴頭孔徑=0.5 mm時，在不同噴頭移動速度和送氣速度條件下的單道成形軌跡寬度數(shù)據(jù)對比。由圖1可以看出：在噴頭移動速度一定的條件下，隨著送氣速度的增加，單位時間內(nèi)由噴頭噴出熔融金屬量增加，受到上端噴頭的擠壓限制，單道沉積軌跡寬度也不斷變寬；當送氣速度一定時，噴頭移動速度的增加會使沉積熔融金屬隨噴頭移動而被快速“拉長”，軌跡寬度變窄。在試驗過程中同樣發(fā)現(xiàn)，較大送氣速度和較小噴頭移動速度均會造成熔融金屬的過堆積，影響成形精度。相反，較小送氣速度和較大噴頭移動速度會造成單位時間內(nèi)從噴頭噴出的熔融金屬量小于實際路徑填充所需金屬量，出現(xiàn)沉積軌跡寬度不均勻、甚至不連續(xù)現(xiàn)象。

v1/(mm?s?1): 1—4; 2—6; 3—8; 4—10; 5—12。

圖2所示為固定噴頭移動速度1=12 mm/s及送氣速度=8 mL/min時，不同噴頭孔徑下所沉積單道軌跡寬度。由圖2可以看出：隨著噴頭孔徑的增大，單道沉積軌跡寬度逐漸變大。但噴頭孔徑過大會影響成形精度，而過小則容易形成噴頭堵塞，成形無法正常進行。

圖2 不同噴頭孔徑條件下的單道沉積軌跡寬度

圖3所示為噴頭孔徑=0.4 mm和=0.7 mm條件下所沉積單道軌跡寬度照片。試驗過程中發(fā)現(xiàn)熔融金屬流動性及其冷卻速度對單道沉積軌跡寬度也有明顯影響。當熔融金屬及成形環(huán)境溫度較高時，金屬冷卻速度變慢，流動性增強，較小的表面張力使金屬液與成形基板間的浸潤性變好，熔融金屬在基板上迅速鋪展開，形成較寬的沉積軌跡。

d/mm：(a) 0.4；(b)0.7

沉積軌跡均勻性是評價單道成形性能的又一個主要指標，本文設計正交試驗來研究噴頭孔徑、送氣速度和噴頭移動速度這3個工藝參數(shù)對鉍錫合金單道沉積軌跡均勻性的影響，并確定較優(yōu)的工藝參數(shù)組。在以上試驗基礎上，分別給3個工藝參數(shù)賦以3個水平，如表1所示，然后按照9(34)正交表安排正交試驗。

表1 因素與水平

將不同參數(shù)條件下的鉍錫合金單道沉積軌跡均勻性分為6個層次，各層次用數(shù)字1~6來代表，如圖4所示。其中：1代表沉積軌跡不連續(xù)；2代表沉積軌跡呈連續(xù)節(jié)狀；3代表沉積軌跡邊緣不均勻，且呈間斷分節(jié)；4代表沉積軌跡邊緣不均勻，但無明顯分節(jié)；5代表沉積軌跡邊緣較均勻且無明顯分節(jié)；6代表沉積軌跡呈連續(xù)均勻直線型。

圖4 各數(shù)字所代表單道沉積軌跡均勻性形貌特征

正交試驗表及極差分析結(jié)果如表2所示。

由表2結(jié)果可看出：噴頭孔徑和送氣速度對沉積軌跡均勻性的影響較大，當工藝參數(shù)為噴頭孔徑=0.6 mm、送氣速度=10 mL/min及噴頭移動速度1=10 mm/s時所得單道沉積軌跡均勻性較好。

表2 正交試驗表L9(34)及極差分析結(jié)果

3 單層成形試驗及結(jié)果分析

成形路徑是金屬件噴射沉積3D打印成形工藝中的又一主要參數(shù)，它影響成形過程中的溫度變化、成形件的殘余應力和致密度等。本文在固定送氣速度=10 mL/min、噴頭移動速度1=10 mm/s及噴頭孔徑=0.6 mm參數(shù)條件下，分別采用S形、“回”形以及回填路徑進行單層鉍錫合金成形試驗，研究成形路徑及路徑搭接率對成形層表面質(zhì)量及致密度的影響。

圖5所示為兩相鄰沉積軌跡之間形成搭接區(qū)域的示意圖。圖中：為兩道沉積軌跡中心之間的距離，也即成形兩道軌跡時所設定的噴頭垂直于單道軌跡方向的單位移動距離，為搭接區(qū)域的寬度。

圖5 兩相鄰沉積軌跡之間形成搭接區(qū)域的示意圖

由式(3)可見：在單道沉積軌跡寬度不變條件下，通過設定成形時噴頭垂直于單道軌跡方向的單位移動距離即可得到具有不同搭接率的單層成形試樣。

圖6所示為S形、“回”形、回填3種路徑示意圖及采用這些路徑所成形單層鉍錫合金表面情況，試驗采用路徑搭接率為50%。

(a), (b) S形路徑；(c), (d) “回”形路徑；(e), (f) 回填路徑

由圖6可以看出：當采用S形路徑進行單層成形時，成形表面質(zhì)量較好；當采用“回”形路徑進行單層成形時，由于在“回”形的轉(zhuǎn)彎處，噴頭的運動存在一個減速、加速的過程，會造成較短時間的停留，使得拐角處形成熔融金屬的過堆積，影響成形表面質(zhì)量；當采用回填路徑進行單層成形時，在回填過程中，由于熔融金屬的無間斷噴出，同樣會造成路徑重合點處的熔融金屬過堆積，影響表面質(zhì)量。

路徑搭接率對單層成形表面質(zhì)量及致密度也有較大的影響。圖7所示為不同搭接率條件下所成形單層鉍錫合金表面情況，試驗采用S形路徑進行單層成形。

由圖7可以看出：當采用S形路徑進行單層成形時，路徑搭接率過小，如圖7(a)和7(b)所示，會造成路徑填充不完整，相鄰路徑間有較深的凹痕，相應表面質(zhì)量及致密度也較差；而路徑搭接率過大，如圖7(d)所示，雖然致密度變好，但會造成熔融金屬的局部過堆積，形成凸起，影響成形表面質(zhì)量。在本試驗條件下，當搭接率為50%時，成形表面質(zhì)量及致密度均較好。

熔融金屬流動性及冷卻速度對單層成形表面質(zhì)量及致密度也有明顯影響。當熔融金屬流動性好及冷卻速度慢時，相鄰沉積軌跡間有足夠時間去填充低勢能的凹痕區(qū)域，最終相互黏結(jié)成一個平整、致密的成形面。

搭接率/%：(a) 10；(b) 30；(c) 50；(d) 70

4 實體成形試驗及結(jié)果分析

本文在噴頭孔徑=0.6 mm、送氣速度=10 mL/min、噴頭移動速度1=10 mm/s及路徑搭接率=50%的參數(shù)條件下，采用逐層反向的S形成形路徑進行鉍錫合金實體的成形試驗。成形實體尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，成形效率為50 cm3/h。

采用JSM?6510型掃描電子顯微鏡對成形實體的斷口進行觀察，圖8所示為不同放大倍數(shù)下的斷口觀察照片。由圖8可以看出：成形實體不僅斷口致密，且層間結(jié)合良好，無明顯層間剝離現(xiàn)象。

(a) 低倍；(b) 高倍

5 結(jié)論

1) 噴頭孔徑、噴頭移動速度、送氣速度對單道沉積軌跡寬度均有明顯影響；相比噴頭移動速度，噴頭孔徑和送氣速度對成形軌跡均勻性的影響較大。

2) 路徑搭接率對單層成形表面質(zhì)量影響較大，搭接率過大會造成熔融金屬的局部過堆積，而搭接率過小會造成路徑填充不完整；相比“回”形及回填路徑，采用S形路徑所成形單層鉍錫合金的表面質(zhì)量較好。

3) 采用噴射沉積3D打印技術(shù)進行尺寸(長× 寬×高)100 mm×100 mm×100 mm鉍錫合金實體的成形，成形效率達到50 cm3/h，為現(xiàn)有成熟金屬件3D打印成形技術(shù)的2~3倍。

4) 除了本文所研究的噴頭孔徑、噴頭移動速度、熔融金屬噴出速度、成形路徑及路徑搭接率外，影響金屬件噴射沉積3D打印成形精度的工藝參數(shù)還有噴頭及成形室溫度、分層厚度、延遲時間等。在后續(xù)的研究工作中，我們將通過工藝試驗對這些工藝參數(shù)對金屬件噴射沉積3D打印成形精度的影響進行深入、系統(tǒng)研究。

參考文獻：

[1] 劉厚才, 莫健華, 劉海濤. 三維打印快速成形技術(shù)及其應用[J]. 機械科學與技術(shù), 2008, 27(9): 1184?1190. LIU Houcai, MO Jianhua, LIU Haitao. A review of three dimensional printing technology and its application[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2008, 27(9): 1184?1190.

[2] 單忠德, 樊東黎, 范宏義, 等. 機械裝備工業(yè)節(jié)能減排制造技術(shù)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2014: 367?390. SHAN Zhongde, FAN Dongli, FAN Hongyi, et al. Manufacturing technology of energy conservation and emission reduction in industrial machinery and equipment[M]. Beijing: China Machine Press, 2014: 367?390.

[3] 顏永年, 張人佶, 林峰. 激光快速成形技術(shù)的新進展[J]. 新技術(shù)新工藝, 2006(9): 7?9. YAN Yongnian, ZHANG Renji, LIN Feng. New development of laser rapid prototyping technique[J]. New Technology & New Process, 2006(9): 7?9.

[4] 李懷學, 鞏水利, 孫帆, 等. 金屬零件激光增材制造技術(shù)的發(fā)展及應用[J]. 航空制造技術(shù), 2012(20): 26?31. LI Xuehuai, GONG Shuili, SUN Fan, et al. Development and application of laser additive manufacturing for metal component[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2012(20): 26?31.

[5] 孫會來, 趙方方, 林樹忠, 等. 激光熔覆研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 激光雜志, 2008, 29(1): 4?6. SUN Huilai, ZHAO Fangfang, LIN Shuzhong, et al. Research progress and development trend on laser cladding[J]. Laser Journal, 2008, 29(1): 4?6.

[6] KRUTH J P, MERCELIS P, Van VAERENBERGH J, et al. Binding mechanisms in selective laser sintering and selective laser melting[J]. Rapid Prototyping Journal, 2005, 11(1): 26?36.

[7] MORGAN R, SUTCLIFFE C J, O'NEILL W. Density analysis of direct metal laser re-melted 316L stainless steel cubic primitives[J]. Journal of Materials Science, 2004, 39(4): 1195?1205.

[8] 楊毅, 王劍彬. 激光直接快速成形金屬零件的研究進展[J]. 熱處理技術(shù)與設備, 2006, 27(3): 13?17. YANG Yi, WANG Jianbin. Research progress of laser direct rapid forming metallic components[J]. Heat Treatment Technology and Equipment, 2006, 27(3): 13?17.

[9] COSTA S E, MASANARI S, KOZO O, et al. Rapid manufacturing of metal components by laser forming[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2006, 46(12/13): 1459?1468.

[10] WU X, MEI J. Near net shape manufacturing of components using direct laser fabrication technology[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2003, 135(2/3): 266?270.

[11] Pinkerton Andrew J, LI Lin. The significance of deposition point standoff variations in multiple-layer coaxial laser cladding (coaxial cladding standoff effects)[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2004, 44(6): 573?584.

[12] 齊海波, 顏永年, 林峰. 電子束快速制造技術(shù)制備SiCP/Al復合材料[J]. 材料工程, 2005(1): 61?64. QI Haibo, YAN Yongnian, LIN Feng. SiCp/Al composite made by electron beam rapid manufacturing[J]. Journal of Materials Engineering, 2005(1): 61?64.

[13] 顏永年, 齊海波, 林峰, 等. 三維金屬零件的電子束選區(qū)熔化成形[J]. 機械工程學報, 2007, 43(6): 87?92. YAN Yongnian, QI Haibo, LIN Feng, et al. Produced three-dimensional metal parts by electron beam selective melting[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2007, 43(6): 87?92.

[14] MATZ J E, EAGAR T W. Carbide formation in Alloy 718 during electron-beam solid freeform fabrication[J]. Metallurgical and Materials Transaction A: Physical Metallurgy and Materials Science, 2002, 33(8): 2559?2567.

[15] 楊光, 鞏水利, 鎖紅波, 等. 電子束快速成形TC18合金多次堆積的組織特征研究[J]. 航空制造技術(shù), 2013(8): 71?74. YANG Guang, GONG Shuili, SUO Hongbo, et al. Microstructure characterization of multi-deposited TC18 alloy by electron beam rapid manufacture[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2013(8): 71?74.

(編輯 陳愛華)

Three-dimensional printing technology based on metal spray and deposition

SHAN Zhongde, YANG Lining, LIU Feng, RONG Wenjuan, LIU Qian

(State Key Laboratory of Advanced Forming Technology & Equipment, China Academy of Machinery Science & Technology, Beijing 100083, China)

A three-dimensional printing (3DP) method was demonstrated based on spray and deposition techniques to advance the development in China's manufacturing industry and to address the high cost and low efficiency problems of the existing metal 3D printing technologies. Using a 3D-computer aided drawing (CAD) model-driven computer numerical control (CNC) system, multi-species, small quantities, and complex metal parts can be manufactured directly using 3DP. Single-channel and single-layer forming experiments were conducted on Sn-Bi alloy to examine the influence of different nozzle apertures, nozzle speeds, aspiration speed, forming paths, and lapping rate on track forming and the surface morphology. The 3DP method was then used for block forming; the fracture morphology of the structure was evaluated. The results show that the single-channel forming track has better uniformity under the following conditions: a nozzle aperture of 0.6 mm, an aspiration speed of 10 mL/min, and a nozzle speed of 10 mm/s; When use the S-shaped path and the path overlap rate is 50%, the formed single-layer surface quality is better; The 3DP technology bases on spray and deposition allows for fast and efficient manufacture of metal parts. The forming efficiency is 50 cm3/h, which is two to three-fold that of existing metal 3DP technologies.

three-dimensional printing (3DP); spray and deposition; Sn-Bi alloy

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.11.004

TH164

A

1672?7207(2016)11?3642?06

2016?01?08；

2016?03?26

機械科學研究總院技術(shù)發(fā)展基金項目(201406) (Project(201406) supported by the Technical Development Fund Project of China Academy of Machinery Science & Technology)

單忠德，研究員，博士生導師，從事綠色制造技術(shù)與裝備研究；E-mail: shanzd@cam.com.cn