低熔點(diǎn)金屬熔融三維直寫技術(shù)研究

楊立寧，單忠德，戎文娟，劉豐，王永威

?

低熔點(diǎn)金屬熔融三維直寫技術(shù)研究

楊立寧，單忠德，戎文娟，劉豐，王永威

(機(jī)械科學(xué)研究總院 先進(jìn)成形技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083)

針對(duì)現(xiàn)有金屬件增材制造技術(shù)存在成本高、效率低的問題，提出一種低熔點(diǎn)金屬熔融三維直寫技術(shù)，并適用于汽車、機(jī)床等行業(yè)中試制金屬模具及零部件的小批量、多品種、高效率、直接增材制造。首先介紹金屬熔融三維直寫技術(shù)原理，然后分析直寫噴頭的結(jié)構(gòu)以及使用過程中的溫度分布情況。最后采用有限元模擬和工藝試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)薄壁金屬件的三維直寫過程進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：金屬熔融三維直寫噴頭使用過程中的溫度沿高度呈拋物線分布，且噴頭能較好地實(shí)現(xiàn)連續(xù)導(dǎo)絲和高效熔絲的功能；金屬熔融三維直寫過程中溫度場(chǎng)分布極不均勻，且隨著成形高度增加，高溫?zé)嵊绊憛^(qū)持續(xù)擴(kuò)大，散熱路徑加長(zhǎng)；在直寫過程中，成形件上節(jié)點(diǎn)處的循環(huán)性溫度變化可使得相鄰兩層間在該節(jié)點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)層間重熔；采用金屬熔融三維直寫工藝可以實(shí)現(xiàn)薄壁金屬件的增材制造，金屬件層間達(dá)到冶金結(jié)合。

增材制造；三維直寫；噴頭；溫度場(chǎng)；薄壁件

近年來，增材制造技術(shù)取得了快速發(fā)展。金屬材料增材制造作為整個(gè)增材制造技術(shù)體系中最為前沿且最具潛力的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。經(jīng)過20多年的發(fā)展，金屬材料增材制造技術(shù)的種類已達(dá)到10多種，可加工金屬材料種類主要包括工具鋼、不銹鋼、鈦合金、鋁合金、鎳基合金、鈷鉻合金、銅基合金、金、銀等。根據(jù)材料的輸送和成形方式不同，可以將這些技術(shù)分為高能束選區(qū)燒結(jié)/熔化增材制造技術(shù)、高能束輔助沉積增材制造技術(shù)、熔融金屬直接沉積增材制造技術(shù)、金屬粉末噴墨粘接增材制造技術(shù)等四大類。目前，金屬材料增材制造技術(shù)[1?9]被廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍事、醫(yī)療等高端領(lǐng)域中高性能、結(jié)構(gòu)復(fù)雜零部件的快速、直接制造，但由于現(xiàn)有技術(shù)及設(shè)備主要采用激光、電子束等高能束進(jìn)行鈦合金、鎳基合金、鈷鉻合金、不銹鋼等高熔點(diǎn)金屬材料的燒結(jié)/熔化堆積成形，存在設(shè)備開發(fā)、維護(hù)及運(yùn)行成本高、成形效率低的問題，嚴(yán)重制約了該技術(shù)在其他領(lǐng)域中的擴(kuò)展應(yīng)用，因此，尋求適用于中、低熔點(diǎn)金屬材料的低成本增材制造技術(shù)，成為該技術(shù)發(fā)展的重要方向。為此，本文作者提出一種由三維CAD模型驅(qū)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)直接制造金屬件的增材制造方法即金屬熔融三維直寫技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)主要適用于鉍錫合金、鋅合金等中、低熔點(diǎn)金屬材料的成形，并可實(shí)現(xiàn)汽車制造、機(jī)床等量大面廣行業(yè)中小批量、多品種試制金屬模具及零部件的高效率、柔性化、直接增材制造，不僅能提高新產(chǎn)品的開發(fā)效率，提高企業(yè)產(chǎn)品響應(yīng)市場(chǎng)的能力，還可以減少產(chǎn)品試制成本，為企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，由于該技術(shù)采用傳統(tǒng)電阻加熱或感應(yīng)加熱的方式，因此，相比現(xiàn)有成熟金屬材料增材制造技術(shù)，在設(shè)備及運(yùn)行成本方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。本文作者基于金屬熔融三維直寫技術(shù)，首先對(duì)該技術(shù)原理進(jìn)行介紹，然后對(duì)工藝核心部件直寫噴頭的結(jié)構(gòu)及使用過程中的溫度分布情況進(jìn)行分析，最后采用有限元模擬的方法對(duì)典型薄壁金屬件三維直寫過程溫度場(chǎng)進(jìn)行研究，揭示直寫過程中成形件溫度場(chǎng)的復(fù)雜分布及變化情況，并在此基礎(chǔ)上采用自主開發(fā)的成形設(shè)備，進(jìn)行薄壁金屬件的三維直寫成形及性能檢測(cè)。

1 金屬熔融三維直寫技術(shù)原理

金屬熔融三維直寫[10?13]技術(shù)原理如圖1所示。

固態(tài)金屬絲材在送絲輪的驅(qū)動(dòng)作用下被送入下端的直寫噴頭，并被噴頭下部加熱器實(shí)時(shí)、高效熔化；噴頭末端熔融金屬在金屬絲材的推動(dòng)力及重力作用下以連續(xù)液流的形式向下堆積；成形基板按照預(yù)制零件的截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，使金屬液流有選擇性地逐層堆積在基板上，最終完成直寫成形，獲得三維金屬零件。

圖1 金屬熔融三維直寫技術(shù)原理圖

2 直寫噴頭結(jié)構(gòu)及溫度分布研究

噴頭作為金屬熔融三維直寫工藝的核心零部件，對(duì)直寫過程的順利進(jìn)行起到極其重要的作用。在三維直寫工藝過程中，金屬絲材被實(shí)時(shí)送入噴頭內(nèi)部，并在噴頭加熱區(qū)被高效熔化、擠出。在這一過程中，若加熱區(qū)的溫度過低，則會(huì)影響金屬絲材熔化效率；而若加熱區(qū)溫度過高，則使得金屬絲材熔化速度過快，噴頭內(nèi)金屬液回流，造成送絲阻力增大甚至噴頭堵塞等嚴(yán)重問題，影響成形過程的進(jìn)行，因此，必須實(shí)現(xiàn)對(duì)噴頭溫度的精準(zhǔn)控制。同時(shí)，由于直寫噴頭的體積較小，采用傳統(tǒng)熱電偶或紅外等測(cè)溫方式，不僅測(cè)溫裝置難以固定，且較難實(shí)現(xiàn)對(duì)噴頭溫度的多點(diǎn)精準(zhǔn)測(cè)量。針對(duì)以上問題，本文首先對(duì)金屬熔融三維直寫噴頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上建立直寫噴頭溫度分布數(shù)學(xué)模型，最后對(duì)直寫噴頭使用過程中的溫度分布情況進(jìn)行了有限元模擬，以便為直寫工藝過程中噴頭加熱區(qū)溫度的選擇和控制提供理論依據(jù)。

2.1 直寫噴頭結(jié)構(gòu)分析

圖2所示為直寫噴頭的結(jié)構(gòu)圖，噴頭主體可劃分為絲材導(dǎo)入段L1、加熱熔化段L2、熔融擠出段L33個(gè)區(qū)域。L2和L3段均采用導(dǎo)熱性能較好的紫銅，且兩段間連接緊密，這樣可以使得電阻加熱圈所產(chǎn)生的熱量能夠充分通過加熱塊和噴嘴傳遞到內(nèi)部的金屬絲材，確保金屬絲材的高效熔化。L1和L2段采用直徑較小的不銹鋼管相連接，這樣可以有效減少L2段熱量向L1段傳遞，同時(shí)L1上段采用表面積較大的鋁合金散熱片，可以較快散走L1段熱量，使得L1段內(nèi)金屬絲材能夠保持足夠的抗彎模量，傳遞軸向活塞推動(dòng)力。

圖2 直寫噴頭結(jié)構(gòu)圖

在金屬熔融三維直寫過程中，金屬絲材首先在送絲驅(qū)動(dòng)輪的作用下被送入噴頭L1段內(nèi)，該段金屬絲為固態(tài)，并與噴頭內(nèi)壁之間存在一定間隙。當(dāng)L1段金屬絲被送入L2段時(shí)，金屬絲材在紫銅加熱塊的加熱作用下逐漸軟化，并沿徑向(圖2所示方向)由外向里逐層熔化，直至形成完全熔化的金屬液。最后，熔融金屬在上端未熔化金屬絲材的活塞推進(jìn)作用下，由L3段末端被擠出。

2.2 直寫噴頭溫度分布數(shù)學(xué)模型

本文采用電阻線圈對(duì)噴頭L2段進(jìn)行加熱，線圈的電阻為。電阻線圈單位時(shí)間的總發(fā)熱量為其實(shí)際加熱功率，這個(gè)值可由溫控表控制脈沖的占空比0以及電源電壓進(jìn)行計(jì)算，則有：

為簡(jiǎn)便起見，本文假設(shè)噴頭溫度已進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。同時(shí)，由于噴頭L2段和L3段采用導(dǎo)熱性能較好的紫銅材料，兩段區(qū)域?yàn)橄噜彽囊粋€(gè)整體，且L3段的長(zhǎng)度較小，成形過程中電阻加熱圈的熱量會(huì)迅速傳遞到L2段和L3段，使得兩段的溫度幾乎一致。因此，可將L2段視為具有單位體積發(fā)熱量為v的熱源，而噴頭的溫度分布問題則可近似為L(zhǎng)1段和L2段的溫度分布問題。L2段既沿向L1段傳遞熱量，又沿向周圍環(huán)境傳熱，這樣噴頭L2段的單位體積等效發(fā)熱量可表示為

式中：VE為單位體積噴頭在單位時(shí)間內(nèi)沿向周圍環(huán)境散發(fā)的熱量。

式中：為噴頭材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

微分方程(3)的解為

式中：和為待定常數(shù)，式(4)還可以記為

2.3 直寫噴頭溫度分布數(shù)值模擬

本文基于圖2所示直寫噴頭結(jié)構(gòu)，對(duì)噴頭使用過程中的溫度分布情況進(jìn)行有限元模擬。在模擬過程中，設(shè)定噴頭內(nèi)金屬絲材的材料為錫(Sn質(zhì)量分?jǐn)?shù)(Sn)= 99.9%)和鉍((Bi)=99.9%)，合金成分配比為Sn48Bi52，其固相線溫度為139 ℃，液相線溫度為150 ℃[14]，并假設(shè)噴頭內(nèi)金屬絲材處于靜止?fàn)顟B(tài)，噴頭和金屬絲材的初始溫度為28 ℃，在噴頭L2段紫銅加熱塊與電阻加熱圈接觸面上施加恒定160 ℃溫度載荷，噴頭其他外表面均暴露在空氣中，且周圍空氣的初始溫度也為28 ℃，相應(yīng)的熱傳遞系數(shù)為30 W/(m2·K)。根據(jù)以上條件和假設(shè)，直寫噴頭溫度分布數(shù)值模擬便轉(zhuǎn)化為二維穩(wěn)態(tài)熱傳遞問題。

圖3 噴頭溫度沿z向分布曲線示意圖

圖4所示為直寫噴頭溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的整體溫度分布情況，圖5所示為穩(wěn)態(tài)時(shí)噴頭溫度沿圖4中所示路徑?(即噴頭高度)的變化情況。

圖4 穩(wěn)態(tài)時(shí)噴頭的整體溫度分布情況

圖5 穩(wěn)態(tài)時(shí)噴頭溫度沿路徑A?B的變化情況

由圖4和圖5可以看出：1) 在高度為0~39.5 mm范圍內(nèi)，直寫噴頭的溫度高于Sn48Bi52合金的液相線溫度，該范圍內(nèi)的金屬絲材已完全熔化，且噴頭L2和L3段的溫度最高，均達(dá)到160 ℃；2) 在高度為39.5~43.4 mm范圍內(nèi)，直寫噴頭的溫度處于Sn48Bi52合金的固相線溫度和液相線溫度之間，該范圍內(nèi)的金屬絲材處于軟化和被熔化的進(jìn)行階段；3) 在高度為43.4~94.0 mm范圍內(nèi)，直寫噴頭的溫度低于Sn48Bi52合金的固相線溫度，該范圍內(nèi)的金屬絲材仍為固態(tài)；4) 穩(wěn)態(tài)時(shí)噴頭溫度沿高度呈近似拋物線分布，與本文所建立噴頭溫度分布數(shù)學(xué)模型相一致；5) 噴頭加熱塊和散熱片部分由于采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料，且截面面積相對(duì)較大，因此，溫度沿高度下降的趨勢(shì)不明顯；6) 在不銹鋼連接管的連接段即高度為38~47 mm范圍內(nèi)，溫度隨高度下降明顯，溫度梯度達(dá)到2.8×103℃/m，可見采用導(dǎo)熱系數(shù)和截面面積較小的不銹鋼連接管可以有效減少L2段熱量向L1段傳遞。

3 薄壁金屬件三維直寫過程研究

3.1 薄壁金屬件三維直寫過程溫度場(chǎng)模擬

金屬熔融三維直寫是一個(gè)液態(tài)金屬按照預(yù)設(shè)軌跡和速度逐層沉積、固化的過程，熱量的輸入和傳播貫穿整個(gè)成形過程，且熱作用過程決定了最終成形件的層間結(jié)合、應(yīng)力、應(yīng)變等，因此，對(duì)成形過程溫度場(chǎng)分布及變化規(guī)律進(jìn)行研究具有重要的意義。

在金屬熔融三維直寫過程中，成形系統(tǒng)內(nèi)溫度場(chǎng)及其他熱參數(shù)隨時(shí)間不斷變化，因此，溫度場(chǎng)的有限元模擬屬于非線性瞬態(tài)熱分析問題[15?17]。本文基于以上工藝特點(diǎn)，在考慮材料熱物性參數(shù)隨溫度變化和相變非線性行為的前提下，利用APDL語(yǔ)言編程建立了如圖6所示典型薄壁成形件的溫度場(chǎng)有限元模擬物理模型，并采用“生死單元”技術(shù)[18?20]來實(shí)現(xiàn)模擬過程中成形件上各單元按照設(shè)定路徑和速度的連續(xù)激活。

圖6 薄壁成形件溫度場(chǎng)有限元模擬物理模型

物理模型的下部分為成形底板，底板長(zhǎng)×寬×高為60 mm×40 mm×5 mm，底板上方為薄壁金屬件，外形長(zhǎng)×寬×高為30 mm×30 mm×12.6 mm，壁厚為1 mm。采用ANSYS中的Solid70熱單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，該單元有8個(gè)節(jié)點(diǎn)且每個(gè)節(jié)點(diǎn)上只有1個(gè)溫度自由度，可用于三維靜態(tài)或瞬態(tài)的熱分析，能實(shí)現(xiàn)3個(gè)方向勻速熱流的傳遞。根據(jù)實(shí)際成形情況，底板和金屬件的材料均為Sn48Bi52合金，單層沉積厚度為 0.7 mm。最終將成形件劃分為1.0 mm×1.0 mm× 0.7 mm的單元，共計(jì)18層，2 088個(gè)單元，基板則采用較大的單元網(wǎng)格進(jìn)行劃分，這樣可以節(jié)省模擬時(shí)間。在模擬過程中，成形底板的初始溫度設(shè)定為100 ℃，底板和成形件與周圍空氣接觸表面為自然對(duì)流換熱，周圍空氣的初始溫度為28 ℃，相應(yīng)的熱傳遞系數(shù)為30 W/(m2·K)。

采用上述物理模型，由成形件第一層右下角單元開始，按照逆時(shí)針路徑順序逐層激活每個(gè)單元。被激活單元具有熔融金屬溫度(160 ℃)，作用時(shí)間(按照掃描速度為4 mm/s來計(jì)算)為0.25 s。薄壁金屬件三維直寫過程的溫度場(chǎng)演變模擬結(jié)果如圖7所示，圖7(a)~(f)所示分別為成形件第3層、第6層、第9層、第12層、第15層和第18層成形結(jié)束時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)分布情況。

由圖7可以看出：1) 薄壁件成形過程中溫度場(chǎng)分布極不均勻，被激活單元及其附近區(qū)域溫度較高，遠(yuǎn)離被激活單元區(qū)域溫度則相對(duì)較低；2) 隨著成形件上逐層單元按照逆時(shí)針路徑順序被逐個(gè)激活及隨后冷卻，溫度場(chǎng)在被激活單元后面形成明顯的拖尾；3) 隨著成形高度增加，成形件上最高溫度點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離底板，散熱路徑加長(zhǎng)，高溫?zé)嵊绊憛^(qū)持續(xù)擴(kuò)大，成形件溫度場(chǎng)沿高度方向呈垂直向上的梯度分布。

圖8所示為薄壁件成形過程中第9層上節(jié)點(diǎn)隨時(shí)間變化經(jīng)歷熱循環(huán)的曲線，由圖8可見：1) 熱循環(huán)曲線由若干溫度波峰和波谷組成，且隨著成形過程的進(jìn)行，溫度的震蕩幅度不斷減小，峰值不斷降低；2) 在整個(gè)熱循環(huán)曲線中，有2個(gè)溫度波峰值高于Sn48Bi52合金的液相線溫度150 ℃，第1個(gè)波峰由第9層上節(jié)點(diǎn)下端單元被激活時(shí)形成，第2個(gè)波峰由第10層上節(jié)點(diǎn)上端單元被激活時(shí)形成。在熱循環(huán)曲線中如果溫度波峰值高于150 ℃，說明該點(diǎn)處于熔化狀態(tài)，結(jié)合金屬熔融三維直寫過程，當(dāng)?shù)?層上節(jié)點(diǎn)處有熔融金屬沉積時(shí)，形成第1個(gè)溫度波峰值，當(dāng)?shù)?0層上節(jié)點(diǎn)處有熔融金屬沉積時(shí)，形成第2個(gè)溫度波峰值，此時(shí)第9層和第10層在節(jié)點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)層間重熔，并形成冶金結(jié)合；3) 節(jié)點(diǎn)處溫度經(jīng)歷峰值后又會(huì)迅速下降，這是由于當(dāng)溫度載荷施加到點(diǎn)附近單元上時(shí)，節(jié)點(diǎn)的溫度會(huì)迅速上升到峰值，但隨后激活單元逐漸遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)，而節(jié)點(diǎn)附近單元又以傳導(dǎo)和輻射的方式向周圍傳遞熱量，由于溫度梯度較大，熱量傳遞較快，因此節(jié)點(diǎn)處溫度會(huì)急速下降。

(a) 第3層；(b) 第6層；(c) 第9層；(d) 第12層；(e) 第15層；(f) 第18層

圖8 第9層上節(jié)點(diǎn)A處熱循環(huán)曲線

3.2 薄壁金屬件三維直寫成形試驗(yàn)

本文基于以上金屬熔融三維直寫過程溫度場(chǎng)模擬結(jié)果，采用自主開發(fā)的成形設(shè)備進(jìn)行了Sn48Bi52合金薄壁件的三維直寫成形試驗(yàn)，試驗(yàn)過程在噴頭孔徑為0.5 mm、送絲速度為4 mm/s、掃描速度為4 mm/s、熔融金屬溫度為160 ℃、基板溫度為100 ℃條件下進(jìn)行。三維直寫成形錫鉍合金薄壁件如圖9所示。從圖9可知：該薄壁件下端為Sn48Bi52合金成形底板，底板上為直寫成形薄壁件，其外形長(zhǎng)×寬×高為30.0 mm×30.0 mm×12.6 mm，壁厚1 mm，共18層，成形件與底板之間完全結(jié)合。

圖9 三維直寫成形錫鉍合金薄壁件

采用JSM?6510型掃描電子顯微鏡對(duì)薄壁件的層間結(jié)合情況進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖10所示。由圖10可以看出：三維直寫成形薄壁件的層間結(jié)合情況良好，并實(shí)現(xiàn)了較好的冶金結(jié)合，這與圖8所示熱循環(huán)結(jié)果相一致。

(a) 低倍；(b) 高倍

4 結(jié)論

1) 金屬熔融三維直寫噴頭溫度沿高度呈拋物線分布，且隨軸向高度的增加，溫度逐漸下降，噴頭所用材料的導(dǎo)熱系數(shù)以及噴頭截面面積越小，其沿高度的溫度下降越明顯。

2) 現(xiàn)有直寫噴頭結(jié)構(gòu)既能實(shí)現(xiàn)加熱熔化段內(nèi)金屬絲材的高效熔化，也能有效減少熱量向絲材導(dǎo)入段傳遞，使得該段內(nèi)金屬絲材能夠保持足夠的抗彎模量，傳遞軸向活塞推動(dòng)力。

3) 金屬熔融三維直寫過程中溫度場(chǎng)分布極不均勻，且溫度場(chǎng)在被激活單元后面形成明顯拖尾。隨著成形高度增加，高溫?zé)嵊绊憛^(qū)持續(xù)擴(kuò)大，散熱路徑加長(zhǎng)，溫度場(chǎng)沿高度方向呈垂直向上的梯度分布。

4) 在薄壁金屬件三維直寫過程中，成形件上相鄰兩層連接點(diǎn)處所經(jīng)歷的熱循環(huán)曲線由若干溫度波峰和波谷組成，且隨著成形過程的進(jìn)行，溫度的震蕩幅度不斷減小，峰值不斷降低。同時(shí)，連接點(diǎn)處所經(jīng)歷的熱循環(huán)曲線中有2個(gè)溫度波峰值高于成形材料的液相線溫度，說明在該連接點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)了上下兩層間的重熔。

5) 采用金屬熔融三維直寫工藝可以實(shí)現(xiàn)薄壁金屬件的增材制造，并使得零件層間達(dá)到冶金結(jié)合。

[1] BUCHBINDER D, SCHLEIFENBAUM H, HEIDRICH S, et al. High power selective laser melting (HP SLM) of aluminum parts[J]. Physics Procedia, 2011, 12(1): 271?278.

[2] 李懷學(xué), 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(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù), 2012, 55(20): 26?31. LI Huaixue, GONG Shuili, SUN Fan, et al. Development and application of laser additive manufacturing for metal component[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2012, 55(20): 26?31.

[3] 孫會(huì)來, 趙方方, 林樹忠, 等. 激光熔覆研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[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.

[4] NIKOLAS H, TIMOTHY Q. Effects of processing on microstructure and mechanical properties of a titanium alloy (Ti-6Al-4V) fabricated using electron beam melting (EBM)[J]. Materials Science & Engineering, 2013, 573(3): 264?277.

[5] 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(jī)械工程學(xué)報(bào), 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.

[6] 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, 56(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. 56(8): 71?74.

[7] SUN S H, KOIZUMI Y, KUROSU S, et al. Build direction dependence of microstructure and high-temperature tensile property of Co-Cr-Mo alloy fabricated by electron beam melting[J]. Acta Materialia, 2014, 64(2): 154?168.

[8] 戴曉琴, 陳瀚寧, 雷劍波, 等. 激光增材制造304不銹鋼顯微結(jié)構(gòu)特征與性能研究[J]. 熱加工工藝, 2017, 46(16): 83?86. DAI Xiaoqin, CHEN Hanning, LEI Jianbo, et al. Study on microstructure characteristics and properties of 304 stainless steel by laser additive manufacturing[J]. Hot Working Technology, 2017, 46(16): 83?86.

[9] 楊毅, 王劍彬. 激光直接快速成形金屬零件的研究進(jìn)展[J]. 熱處理技術(shù)與設(shè)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.

[10] 楊立寧. 低熔點(diǎn)金屬熔融三維直寫技術(shù)及設(shè)備基礎(chǔ)研究[D]. 北京: 機(jī)械科學(xué)研究總院, 2016: 19?25. YANG Lining. Basic study on 3D direct writing technology and equipment of low melting point molten metal[D]. Beijing: China Academy of Machinery Science & Technology, 2016: 19?25.

[11] 楊立寧, 單忠德, 戎文娟, 等. 金屬件熔融堆積3D打印過程熱應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬[J]. 鑄造技術(shù), 2016, 37(4): 753?758. YANG Lining, SHAN Zhongde, RONG Wenjuan, et al. Numerical simulation of thermal stress field in 3d printing technology based on metal fused and deposition[J]. Foundry Technology, 2016, 37(4): 753?758.

[12] 單忠德, 楊立寧, 戎文娟, 等. 熔融堆積3D打印成形金屬件層間結(jié)合研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2016(8): 135?137. SHAN Zhongde, YANG Lining, RONG Wenjuan, et al. The study on parts' interlayer binding during three-dimensional printing based on metal fused and deposition[J]. Machinery Design & Manufacture, 2016(8): 135?137.

[13] 劉煒, 單忠德, 戎文娟, 等. 金屬熔融三維直寫噴頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J]. 鑄造技術(shù), 2016, 37(6): 1261?1264, 1268. LIU Wei, SHAN Zhongde, RONG Wenjuan, et al. Optimization study on molten metal 3D direct writing nozzle[J]. Foundry Technology, 2016, 37(6): 1261?1264, 1268.

[14] 劉堯, 李風(fēng). 半固態(tài)成形工藝對(duì)Sn-Bi合金性能的影響[J]. 廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 25(4): 24?27. LIU Yao, LI Feng. The effect of semi-solid processing technology on the performance of Sn-Bi alloy[J]. Journal of Guangdong University of Technology, 2008, 25(4): 24?27.

[15] 紀(jì)良波. 熔融沉積成型有限元模擬與工藝優(yōu)化研究[D]. 南昌: 南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 2011: 25?26. JI Liangbo. Research on the finite element simulation and process optimization in fused deposition modeling[D]. Nanchang: Nanchang University. School of Mechanical & Electronic Engineering, 2011: 25?26.

[16] 魏雷, 林鑫, 王猛, 等. 金屬激光增材制造過程數(shù)值模擬[J]. 航空制造技術(shù), 2017, 60(13): 16?25. WEI Lei, LIN Xin, WANG Meng, et al. Numerical simulation on laser additive manufacturing process for metal components[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2017, 60(13): 16?25.

[17] 孫福臻, 曲文峰, 楊立寧, 等. 同步送粉式激光熔覆過程溫度場(chǎng)數(shù)值模擬[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2017(10): 126?128. SUN Fuzhen, QU Wenfeng, YANG Lining, et al. Numerical modeling on temperature field of synchronous powder feeding laser cladding[J]. Machinery Design & Manufacture, 2017(10): 126?128.

[18] 宋建麗, 李永堂, 鄧琦林, 等. 激光熔覆成形技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2010, 46(14): 29?38. SONG Jianli, LI Yongtang, DENG Qilin, et al. Research progress of laser cladding forming technology[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2010, 46(14): 29?38.

[19] 左鐵釧, 陳虹. 21世紀(jì)的綠色制造—激光制造技術(shù)及應(yīng)用[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2009, 45(10): 106?110. ZUO Tiechuan, CHEN Hong. Green manufacture in 21 century: Laser manufacturing technology and application[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2009, 45(10): 106?110.

[20] 姚山, 曾峰. 新的激光快速成形方法及應(yīng)用[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2007, 43(5): 230?234. YAO Shan, ZENG Feng. New laser rapid prototyping method and its applications[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2007, 43(5): 230?234.

(編輯 楊幼平)

Three-dimensional direct writing technology of low melting point molten metal

YANG Lining, SHAN Zhongde, RONG Wenjuan, LIU Feng, WANG Yongwei

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

For the additive manufacturing technologies of metal part have some problems, such as high cost and low efficiency, three-dimensional direct writing of low melting point molten metal, a new type of high-efficiency and directly metal parts additive forming technology was proposed. This technology is suitable for the trial manufacture of small batch and complex metal mould and parts in automobile, machine tool and other industries. Firstly, the principle of three-dimensional direct writing technology was introduced. Then, the structure of direct writing nozzle and its temperature distribution during use were analyzed. At last, by using the method of combining finite element simulation with process test, the three-dimensional direct writing process of thin-walled metal part was studied. The results show that the temperature of the direct writing nozzle is distributed in parabola along the height, and the nozzle can realize the functions of continuous guide wire and high efficiency fuse. In the process of three-dimensional direct writing, the temperature distribution is extremely uneven, and with the increase of forming height, the high temperature heat affected zone continues to expand, and the heat dissipation path becomes longer. The cyclic temperature variation at the node of the formed part causes interlayer remelting between the adjacent two layers. The thin-wall metal part can be realized by using the three-dimensional direct writing technology of molten metal, and the metallurgical integration between the interlayer of the formed parts is achieved.

additive manufacturing; three-dimensional direct writing; nozzle; temperature field; thin-wall part

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.10.006

TH164

A

1672?7207(2018)10?2405?08

2017?10?10；

2017?12?26

國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51525503)；北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目(Z151100003715004)；機(jī)械科學(xué)研究總院技術(shù)發(fā)展基金資助項(xiàng)目(201406)(Project(51525503) supported by the National Science Fund for Distinguished Young Scholars; Project (Z151100003715004) supported by the Science and Technology Program of Beijing; 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(dǎo)師，從事綠色制造技術(shù)與裝備研究；E-mail：shanzd@cam.com.cn