3D打印技術(shù)在金剛石工具制造中的應(yīng)用探討

張紹和， 唐 健， 周 侯， 王佳亮

(1. 有色金屬成礦預(yù)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)沙 410083)(2. 中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410083)(3. 湖南科技大學(xué) 海洋礦產(chǎn)資源與安全技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 湖南 湘潭 411201)

3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，利用紙層疊和光固化等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)快速成型。作為工業(yè)4.0中實(shí)現(xiàn)“智能生產(chǎn)”和“智能工廠”的重要方法，它完成了由信息流到物理實(shí)物的轉(zhuǎn)變。如今，隨著3D打印技術(shù)的不斷革新與發(fā)展，其也不斷地與其他產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，促進(jìn)了制造業(yè)的迅猛發(fā)展。

傳統(tǒng)金剛石工具制備方法，如燒結(jié)、電鍍、釬焊等，難以制造異型、超薄、微型的金剛石工具。因此，引入3D打印技術(shù)可以為金剛石工具的制造提供一種新的工藝方法；同時(shí)，由于3D打印技術(shù)與金剛石工具制造行業(yè)各自的特點(diǎn)，二者在融合過程中仍有一些問題需要解決。

我們總結(jié)了3D打印技術(shù)的發(fā)展情況及其在金剛石工具制造領(lǐng)域的應(yīng)用，探討了3D打印制造金屬結(jié)合劑金剛石工具方面的主要技術(shù)問題，并對(duì)3D打印金剛石工具未來的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)中通過建模軟件建立對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的三維模型，隨后運(yùn)用粉末狀金屬、金屬合金或塑料等可黏合材料作為原材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體[1]。3D打印技術(shù)的常用材料有尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠等各類材料[2]。3D打印技術(shù)作為一種新型的多學(xué)科技術(shù)，綜合運(yùn)用了數(shù)字建模技術(shù)、信息技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、材料科學(xué)、化學(xué)等諸多學(xué)科[3]。

目前，3D打印技術(shù)主要有熔融沉積式 (FDM)、電子束自由成形制造(EBF)、直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)、電子束熔化成型(EBM)、選擇性激光熔化成型(SLM)、選擇性熱燒結(jié)(SHS)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、石膏3D打印 (PP)、分層實(shí)體制造(LOM)、立體平板印刷(SLA)、數(shù)字光處理 (DLP)等方式。根據(jù)其所屬的類型進(jìn)行分類，并標(biāo)明其能處理的基本材料，其簡(jiǎn)況如表1所示。

表1 3D打印成型技術(shù)簡(jiǎn)況

近年來，高速發(fā)展的3D打印技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都有較快發(fā)展。3D打印技術(shù)不斷地與其他行業(yè)相融合，突破了各領(lǐng)域內(nèi)存在已久的一些技術(shù)難題，解決了諸多傳統(tǒng)技術(shù)難以解決的難題或提供了便利。例如，在航天科技上，使用3D打印技術(shù)可以降低火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴射器上一些高精度零件在制造上的復(fù)雜程度；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，已有一些醫(yī)學(xué)專家使用3D打印技術(shù)打印出了脊椎、頭顱等用于醫(yī)療；除此之外，在房屋建筑、汽車行業(yè)、服裝行業(yè)等領(lǐng)域也都有了相應(yīng)的應(yīng)用[4]。

2 3D打印與金剛石工具制造

3D打印應(yīng)用于金剛石工具制造，是3D打印技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的一種新型應(yīng)用，區(qū)別于傳統(tǒng)的金剛石工具制造方法，如熱壓燒結(jié)法、電鍍法和釬焊法等。

熱壓燒結(jié)法制造金剛石工具，由于配方設(shè)計(jì)和制造工藝等原因，在使用過程中常發(fā)生金剛石脫落等非正常磨損情況[5]；同時(shí)對(duì)異型、超薄或微型金剛石工具，使用熱壓燒結(jié)便難以實(shí)現(xiàn)。

電鍍金剛石工具受電鍍工藝的影響，其鍍層受限于可選金屬或合金類型[6]，且使用過程中有可能存在鍍層脫落等問題，影響了其壽命和效率[7-9]。

釬焊單層金剛石工具由于釬焊溫度較高，金剛石不可避免地受熱產(chǎn)生損傷而導(dǎo)致強(qiáng)度降低[10]，同時(shí)選用的釬料熔點(diǎn)難與金剛石工具工作溫度匹配[11-13]。

3D打印技術(shù)以計(jì)算機(jī)軟件建立目標(biāo)產(chǎn)品的3D模型，通過計(jì)算機(jī)指令控制3D打印機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，是一種純智能化的先進(jìn)制造技術(shù)。3D打印技術(shù)擁有其他金剛石工具制作方法(熱壓燒結(jié)法、電鍍法、釬焊法等)無可比擬的優(yōu)勢(shì)，它只需在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，便可打印出任何形狀復(fù)雜、尺寸微小、厚度超薄等高精度產(chǎn)品，且不需要再進(jìn)行二次加工。

通過3D打印技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品整體性強(qiáng)，無需再組裝，減少了很多用于連接的零件，使生產(chǎn)出來的產(chǎn)品不再擁有與其功能無關(guān)的“副產(chǎn)品”，因此，與傳統(tǒng)方式相比，打印出來的產(chǎn)品的重量要輕60%，并且同樣堅(jiān)固。使用3D打印生產(chǎn)出來的產(chǎn)品具有無限的設(shè)計(jì)空間，使用者可以依據(jù)產(chǎn)品的功能需求來進(jìn)行建模，從而實(shí)現(xiàn)一些異型產(chǎn)品的制造，能夠更好地將產(chǎn)品適用于各種環(huán)境。同樣，由于是建立在計(jì)算機(jī)建模的基礎(chǔ)上，都是以程序來代替人工操作，這樣就可以實(shí)現(xiàn)精確的實(shí)體復(fù)制，也不再需要通過復(fù)雜的工藝來制作產(chǎn)品，僅僅需要通過計(jì)算機(jī)便獲得想要的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)“零技能”制造，也大大減少了制作工序。

由此可見，3D打印技術(shù)在金剛石工具制造中具有非常重要的意義：無需借助機(jī)械加工手段及其他模具，就能直接根據(jù)計(jì)算機(jī)生成的數(shù)據(jù)圖形，利用增材技術(shù)制成需要的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸大小的金剛石工具。此技術(shù)既可以縮短研發(fā)周期、簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝、提高生產(chǎn)效率，又能夠降低生產(chǎn)成本、減少材料浪費(fèi)。

3 3D打印制造金剛石工具技術(shù)探討

考慮到實(shí)際使用中，金屬結(jié)合劑胎體金剛石工具占比極高，同時(shí)樹脂結(jié)合劑金剛石工具采用3D打印實(shí)現(xiàn)難度較小，因此以下重點(diǎn)探討利用3D打印技術(shù)制造金屬結(jié)合劑金剛石工具方面的主要技術(shù)問題。

在金剛石工具3D打印技術(shù)中，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)的金剛石工具金屬結(jié)合劑配方，選擇合適的增材打印方式。目前應(yīng)用于金屬及合金材料打印的方法主要有電子束熔化成型(EBM)、選擇性激光熔化成型(SLM)、選擇性熱燒結(jié)(SHS)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)等。3D打印技術(shù)作為一種正在發(fā)展的技術(shù)，在金剛石工具制作中沒有現(xiàn)成技術(shù)可借鑒和使用，因此有許多問題需要分析和研究。

3.1 3D打印金剛石工具用結(jié)合劑

在3D打印應(yīng)用領(lǐng)域, 用于3D打印的金屬粉末材料主要有鈷鉻合金、不銹鋼、工業(yè)鋼、青銅合金、鈦合金、鎳鋁合金等。利用3D打印技術(shù)制造金剛石工具的金屬及其合金粉末，除需具備良好的可塑性外，還必須滿足粉末粒徑細(xì)小、粒度分布較窄、球形度高、流動(dòng)性好和松裝密度高等要求[14-16]。與熱壓燒結(jié)制造金剛石工具可使用多種金屬單質(zhì)或合金粉末混合料相比，3D打印制造中不能使用這類混合粉末, 因此，大力研發(fā)適用于制造金剛石工具的3D打印金屬預(yù)合金粉末材料，是3D打印技術(shù)應(yīng)用于金剛石工具制造的重要突破口。

研究表明，目前用于3D打印技術(shù)的金屬材料如鈦合金粉末、CoCrMo粉末、不銹鋼粉末、鎳基合金粉末、鋁合金粉末等材料，基本能夠達(dá)到制造金剛石鉆頭、金剛石鋸片、金剛石砂輪等金剛石工具中結(jié)合劑胎體的各種物理和力學(xué)性能要求[17]。

3.2 3D打印對(duì)金剛石性能影響

金剛石工具制造生產(chǎn)過程中，過高的溫度會(huì)影響金剛石的質(zhì)量性能。3D打印技術(shù)制造金剛石工具，通常使用激光等手段對(duì)相應(yīng)金屬合金粉末進(jìn)行燒結(jié)，當(dāng)激光輸入能量太高時(shí)，金剛石顆粒易發(fā)生熱損傷，影響金剛石工具的使用性能。這是許多研究者利用3D打印技術(shù)制造金剛石工具前，一直關(guān)注和擔(dān)心的問題。

研究表明：3D打印工藝中的激光功率和掃描速度是影響金剛石熱損傷的主要因素[18]。在氬氣保護(hù)下，激光光斑直徑3 mm，功率800 W，掃描速度8.39 mm/s時(shí)，可獲得金剛石顆粒、釬焊合金(結(jié)合劑胎體)、金屬基體(鋼體)三者具有最佳結(jié)合性能的釬焊層，釬焊合金粉末對(duì)金剛石顆粒浸潤(rùn)良好，并發(fā)生冶金化學(xué)反應(yīng)[14, 19]。因此，在保護(hù)氣體下，選擇合適的生產(chǎn)參數(shù)有助于產(chǎn)品的成型以及制造。這證實(shí)只要選擇合適的3D打印工藝，可大大減輕金剛石顆粒的熱損傷。

3.3 3D打印與金剛石粒度

金剛石的粒度尺寸大小對(duì)金剛石工具極為重要。3D打印作為一種增材打印技術(shù)，是逐層打印燒結(jié)的，因此，不同的燒結(jié)方法，應(yīng)該選用不同的金剛石粒度，以便于更好地完成3D打印。

(1)選擇性激光燒結(jié)法

該3D打印技術(shù)主要以金屬粉末或非金屬粉末為原料，首先在工作臺(tái)上攤鋪一層粉末材料，通過計(jì)算機(jī)控制激光，按照?qǐng)D形設(shè)計(jì)界面輪廓信息，對(duì)實(shí)心部分粉末進(jìn)行燒結(jié)，然后不斷循環(huán)，層層堆積成型[20]，便可直接制成目標(biāo)產(chǎn)品，其分層厚度0.08～0.30 mm。

(2)選擇性激光熔化法

這種方法是利用較小功率激光直接熔化單質(zhì)或合金金屬粉末材料，成形出任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)和接近100%致密度的金屬零件。選擇性激光熔化法適合于鈦合金和鎳合金等金屬零部件的成形制造，其分層厚度為0.02～0.20 mm[21]。

(3)光固化法

光固化技術(shù)利用紫外激光或紫外燈照射薄層液態(tài)光敏樹脂，成形任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型，分層厚度0.05～0.30 mm。

金剛石的粒度尺寸不能大于3D打印每次粉末鋪層的厚度，否則在攤鋪布粉時(shí)易使層面產(chǎn)生金剛石不均勻和局部堆積。上述3種方法的粉末鋪層厚度說明：為滿足3D打印技術(shù)的基本操作，使用的金剛石粒度尺寸應(yīng)小于0.3 mm，具體選擇的金剛石粒度還應(yīng)根據(jù)使用的3D打印設(shè)備及技術(shù)種類進(jìn)行調(diào)整。

3.4 3D打印金剛石濃度選擇

金剛石磨料是金剛石工具破碎巖石、陶瓷材料的一個(gè)重要因素，金剛石濃度則是金剛石工具的一個(gè)重要參數(shù)。在一定范圍內(nèi)，金剛石濃度越高，其破碎效果越好。但是在3D打印制造金剛石工具時(shí)也會(huì)出現(xiàn)過飽和情況，即當(dāng)金剛石濃度超過某極限值時(shí)，粉末熔化后不足以完全包裹覆蓋全部金剛石顆粒。因此，選擇金剛石濃度時(shí)應(yīng)遵循金剛石工具中濃度參數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)律：適宜的金剛石濃度與所選用的結(jié)合劑粉末材料相關(guān)；過高的金剛石濃度會(huì)影響結(jié)合劑對(duì)金剛石的包裹覆蓋和支撐強(qiáng)度[22]；創(chuàng)新設(shè)計(jì)工具工作型面結(jié)構(gòu)，有利于降低對(duì)金剛石濃度需求。

4 3D打印制造金剛石工具實(shí)例

作者已經(jīng)開始嘗試性研究利用3D打印技術(shù)制造金剛石鉆頭、金剛石鋸片、金剛石砂輪等工具，并已獲得多項(xiàng)國(guó)家授權(quán)發(fā)明專利。

作者提出了異型金剛石工具的生產(chǎn)工藝，如：3D打印柵格狀金剛石鉆頭、3D打印超薄網(wǎng)格狀金剛石鋸片、3D打印蜘蛛網(wǎng)狀金剛石砂輪等金剛石工具，分別如圖1、圖2、圖3所示。

1-柵格狀工作層； 2-非工作層； 3-鉆頭鋼體；4-柵格狀工作層實(shí)體； 5-柵格狀工作層空隙體

1-網(wǎng)格狀節(jié)塊工作層； 2-節(jié)塊焊接層； 3-鋸片基體；4-工作層實(shí)體； 5-工作層空白體

1-蜘蛛網(wǎng)狀工作層;2-非工作層;3-金屬基體;4-工作層實(shí)體;5-工作層空白體圖3 蜘蛛網(wǎng)狀金剛石砂輪Fig.3Spidermeshdiamondgrindingwheel

從圖1～圖3中看到：通過改變工作面的結(jié)構(gòu)和形狀，改變了金剛石工具的磨削破碎機(jī)理，從而優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量性能，提高其工作效率。柵格狀胎體唇面結(jié)構(gòu)、超薄網(wǎng)格狀工作面、蜘蛛網(wǎng)狀磨削面等，他們結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、制造技術(shù)要求較高，采用傳統(tǒng)制造工藝很難實(shí)現(xiàn)。因此，利用3D打印技術(shù)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)來制造上述金剛石工具，并獲得了理想的試驗(yàn)效果[17, 23-26]。

5 3D打印金剛石工具展望

目前，利用3D打印技術(shù)制造金剛石工具尚處于起步階段，為實(shí)現(xiàn)和完善3D打印金剛石工具的技術(shù)應(yīng)用，需要針對(duì)其存在的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行以下研究：

(1)加強(qiáng)可用于3D打印的金屬或合金粉末種類的研制，以適應(yīng)不同類型的金剛石工具性能要求；

(2)開展3D打印金剛石工具工藝技術(shù)研究，優(yōu)化制造微型、超薄、復(fù)雜結(jié)構(gòu)型面等金剛石工具；

(3)優(yōu)化3D打印激光參數(shù)，避免或降低其對(duì)金剛石性能的影響，改善金剛石與金屬間結(jié)合界面性能。

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