金屬3D打印技術在波導件上的應用

苑博 劉秀利

1 3D打印產(chǎn)業(yè)化應用情況概述

3D打印，即增材制造，是一種由產(chǎn)品三維模型數(shù)據(jù)直接驅(qū)動，基于離散—堆積原理，通過數(shù)字化逐層添加材料的方式來制備零件的一種新興制造技術。近年來，隨著3D打印技術的快速發(fā)展，3D打印技術已經(jīng)由最初的非金屬打印發(fā)展為非金屬和金屬3D打印，其中金屬3D打印技術已經(jīng)在航空、航天的結構框架、燃油噴嘴等產(chǎn)品制造及修復上得到較多應用[1]。

鋁合金因具有質(zhì)量輕、比強度高、耐腐蝕性強、成本低等優(yōu)點，被廣泛應用于航空、航天、國防、軌道交通等領域。隨著高端裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，鋁合金構件的結構復雜程度不斷提升、更新?lián)Q代速度日益加快，對結構功能一體化快速制造的要求越來越高，傳統(tǒng)加工技術在這一大潮之下的局限性日益凸顯。

激光選區(qū)熔化（Selective Laser melting，SLM），作為一種潛力巨大的高性能金屬材料激光3D打印技術，于1995年由德國Fraunhofer激光研究所提出。SLM通過采用高能量密度激光束逐層選擇性熔化、沉積金屬粉末（圖1），可在不借助任何模具及工裝夾具的條件下，實現(xiàn)各類復雜金屬構件的快速成形，具有響應時間短、材料利用率高、產(chǎn)品性能優(yōu)良、近凈成形等一系列優(yōu)勢，為各類高性能、復雜鋁合金構件的高精密快速制造提供了一種新方法。

目前，國外從事鋁合金SLM成形技術研究的單位主要包括德國Aachen大學、Erlangen—Nürnberg大學、Fraunhofer激光研究所、比利時Leuven大學、英國Birmingham大學等，研究所涉及的材料主要包括鋁（Al）—硅（Si）系、Al—Si—鎂（Mg）系合金。經(jīng)過多年發(fā)展，激光束與粉末相互作用機制、微熔池冶金行為、非平衡凝固結晶特征等鋁合金SLM成形原理已經(jīng)初步得到揭示，鋁合金構件的控形控性工藝基礎也基本上被掌握，相關產(chǎn)品在強度、硬度、韌性、耐腐蝕性等關鍵性能指標方面已達到鑄件水平，部分性能指標甚至超越鍛件（圖2）。

在華中科技大學、西北工業(yè)大學、西安交通大學、南京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學等同行的不懈努力下，我國在鋁合金SLM成形領域的研究水平基本與國外保持一致。特別是在Al—銅（Cu）系、Al—鋅（Zn）系等難加工、高強度鋁合金的SLM成形方面，以華中科技大學為代表的科研單位通過變質(zhì)形核、溫度場主動控制等工藝手段，解決了開裂、氣孔等一系列成形難題，實現(xiàn)了高強度鋁合金的快速制造，使我國在該領域的研究水平進一步朝國際領先邁進。

與此同時，針對激光反射率高、成形效率偏低等鋁合金SLM成形共性難題，國內(nèi)外眾多科研機構近期先后研發(fā)出基于數(shù)個激光束并行拼接掃描的多光束激光選區(qū)熔化（MB—SLM）技術和基于千瓦級別高功率激光源的高功率激光選區(qū)熔化（HP—SLM）技術（圖3），能夠在保證產(chǎn)品性能的前提下，使成形效率由5～30cm3/h顯著提升至80～120cm3/h，進一步為SLM技術在鋁合金構件成形領域的大規(guī)模工業(yè)應用推廣奠定了堅實基礎。

然而，現(xiàn)有鋁合金SLM成形技術的應用仍相對局限，主要是用于承力構件的快速制造，重點關注產(chǎn)品的結構、力學功能。相比航空航天行業(yè)，金屬3D打印技術進入電子設備行業(yè)相對較晚，應用上也相對滯后，這主要取決于電子設備的需求更復雜、要求更高，相關SLM成形研究報道十分缺乏。在電子設備行業(yè)，由于金屬結構件的主要作用為承載電路組件、傳輸電磁信號、熱管理等，因此相比航空航天產(chǎn)品，強度、尺寸精度、表面精度、環(huán)境適應性等均是電子設備3D打印應用的關注方向[2]。本文選取傳統(tǒng)電子行業(yè)結構功能件波導為應用對象，重點研究鋁合金波導3D打印成形及后處理等相關技術。

2 方法

2.1 應用對象

應用對象為電子行業(yè)通用的一進兩出波導空腔結構，因前期采用傳統(tǒng)的真空鋁釬焊工藝存在焊接強度難以滿足裝配應力及振動應力等要求，故采用3D打印整體成形技術進行制造、并開展相關試驗驗證，試驗用波導模型如圖4所示。

在具體3D打印的技術方案選擇上，考慮到SLM成形技術打印的產(chǎn)品精度好、力學性能好，是最適合電子設備金屬構件的3D打印技術[3]。因此，工藝上采用SLM成形技術進行試驗。

2.2 設備

選用國產(chǎn)BLT-S300SLM成形3D打印設備進行試驗，燒結功率400W，激光掃描速度約為5m/s，粉體層高為0.03mm。

2.3 材料

在材料選擇上，采用目前在選擇性激光熔化成形技術上應用最為廣泛的AlSi10Mg[3]金屬粉，粒徑15～60μm。該材料與常用鑄鋁ZL104（ZAlSi9Mg）成分非常接近的，具有良好的鑄造性能（如表1所示）。

2.4 流程設計

具體流程安排如下：三維結構設計—3D打印適應性優(yōu)化—支撐及工藝設計—切片、打印成形—熱處理—去支撐—拋光、機加—化學氧化—尺寸及粗糙度檢測、陪試件強度試驗、電性能測試、鹽霧試驗。

2.5 3D打印結構設計

由于SLM 3D打印技術是通過激光逐層掃描金屬粉末并堆積而成的金屬構件，因此結構、工藝上必須考慮懸空、懸臂結構造成的塌陷或斷裂的風險。波導內(nèi)腔寬3.56mm，長7.21mm，因電信號傳輸需要，波導內(nèi)腔均為直邊且表面粗糙度要求高，故無法添加支撐。結合波導的整體結構特點及電性能需求，對波導內(nèi)腔進行如圖5所示優(yōu)化，將波導內(nèi)腔的直邊改為R0.3過渡。

3 過程

3.1 金屬波導3D打印成形

在打印時選用最利于零件的生長方向進行工件的擺放，并根據(jù)擺放的方向設計必要的工藝支撐，確保零件打印過程中沒有明顯的懸空懸臂等結構。其次根據(jù)零件的精度、表面質(zhì)量等要求確定每層打印厚度、激光燒結參數(shù)、激光掃描策略等工藝參數(shù)，以滿足產(chǎn)品整體形狀、精度、表面粗糙度等指標。打印參數(shù)為：激光功率400W，打印層高0.03mm，掃描速度3～5m/s，波導內(nèi)腔邊緣小光斑掃描2次，提高表面粗糙度。

方案試驗了方向1和方向2的2種不同擺放方式（詳見圖6）。方向1相比方向2，其塌陷風險更大，表面粗糙度質(zhì)量也相對較差；方向2可實現(xiàn)較好的打印質(zhì)量。

3.2 熱處理

3D打印成形過程中打印工件局部受熱，存在較大熱應力，因此打印成形后必須進行熱處理。采取合理的熱處理制度，一方面可以使組織更加均勻、消除產(chǎn)品的熱應力；另一方面可以通過熱處理調(diào)整獲得滿意的綜合力學性能。

3.3 表面打磨及拋光

經(jīng)過一系列的掃描策略及工藝參數(shù)優(yōu)化后，根據(jù)波導樣件的實際打印效果來看，各個打印面的表面質(zhì)量受打印方向的影響，最好的面（側面）的粗糙度可以提高至Ra3.2以內(nèi)。因此，采用3D打印技術成形的樣件無法直接滿足波導內(nèi)腔的傳輸要求，噴砂、拋光是3D打印非常重要且必要的后處理技術之一。

噴砂主要用來清除工件表面的殘粉，并且能夠在一定程度上提高零件的表面質(zhì)量，達到表面美觀的基本作用；而采用適宜的拋光技術，可以實現(xiàn)工件表面質(zhì)量提高1～2個等級的目標。通過對手工電化學拋光、磨粒拋光、磁力拋光等表面處理技術進行試驗，發(fā)現(xiàn)磁力拋光在不損傷波導內(nèi)腔及波導口的情況下能實現(xiàn)內(nèi)腔及外表面的拋光，表面粗糙度可達Ra1.6，零件噴砂及拋光效果如圖7所示。

4 結果

4.1 電性能

采用上述工藝打印的同批波導樣件4件，在進行拋光前進行了背靠背的指標測試，波導口的插入損耗相比焊接樣件低了0.3dB；在進行拋光后重新測試，指標與焊接波導相當，滿足設計要求。

4.2 強度測試

拉力測試樣件為與波導樣件采用相同工藝、相同參數(shù)、同一個打印包打印出來的拉力試棒，經(jīng)抗拉強度的測試，抗拉強度及延伸率均明顯好于傳統(tǒng)工藝采用的6063和具有非常類似成分的鑄鋁ZL104（T6熱處理），詳見表2所示。

4.3 鹽霧試驗

樣件進行化學氧化處理后，按照GJB150.11A—2009的要求開展了96h的鹽霧試驗（圖8）。經(jīng)試驗，樣件表面質(zhì)量完好，沒有腐蝕，滿足鹽霧試驗要求。

5 結語

筆者團隊采用3D打印技術成形了電子行業(yè)通用的鋁合金金屬波導，波導內(nèi)腔寬3.56mm，長7.21mm。通過研究發(fā)現(xiàn)，采用合理的打印工藝參數(shù)、熱處理參數(shù)及表面處理方式可以滿足波導電性能設計要求及鹽霧試驗要求；針對鋁合金同包打印試棒進行拉力測試后發(fā)現(xiàn)綜合力學性能較傳統(tǒng)方式有顯著提升。此外，3D打印的后處理技術、成本及效率控制等方面均待深入研究，才能進一步促進3D打印技術在電子設備上的應用發(fā)展。

參考文獻

[1] 王忠宏，李揚帆，張曼茵.中國3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J].經(jīng)濟縱橫，2013（1）：90—93.

[2] 張學軍，唐思熠.3D打印技術研究現(xiàn)狀和關鍵技術[J].材料工程，2016（2）：122—128.

[3] 金大元.3D打印技術及其在軍事領域的應用[J].新技術新工藝，2015（04）：9—13.

[4] 鄭增，王聯(lián)鳳，嚴彪.3D打印金屬材料研究進展[J].上海有色金屬，2016（1）：57—60.