3D打印金剛石工具的研究進展*

張云鶴, 黃景鑾, 宋運運, 陸 靜, 李彩虹

(1. 鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司, 鄭州 450001)

(2. 華僑大學(xué) 制造工程研究院, 福建 廈門 361021)

金剛石是目前地球上硬度最高的物質(zhì)，其耐磨性高、化學(xué)穩(wěn)定性好、摩擦系數(shù)低等，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中[1-2]。在工業(yè)上，金剛石常作為磨料用于磨削、切削、拋光、鉆探加工等，如用于砂輪、磨盤、PCD刀具、金剛石鉆頭等工具上[3-5]。金剛石工具加工時具有加工精度高、工具壽命長、加工應(yīng)力小、效率高等優(yōu)點[6]。

傳統(tǒng)金剛石工具的制備方法主要有熱壓燒結(jié)法、電鍍法和釬焊法等，其金剛石磨粒固結(jié)方式如圖1所示[7]。熱壓燒結(jié)法和電鍍法時由于磨料與結(jié)合劑之間僅存在機械鑲嵌作用，在使用過程中常出現(xiàn)金剛石顆粒脫落從而對被切削表面造成不同程度損傷且出刃率低等問題；釬焊法溫度過高，易導(dǎo)致金剛石碳化、機械強度降低等。提高金剛石磨料與結(jié)合劑的界面結(jié)合強度，同時避免金剛石碳化，從而充分發(fā)揮金剛石的優(yōu)良特性一直是研究的重點[8-10]。

圖1 金剛石工具中不同磨粒的固結(jié)方式

利用傳統(tǒng)方法制造金剛石工具時需要多種復(fù)雜制備工藝結(jié)合，設(shè)計受限于制造，且生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)周期長。而3D打印技術(shù)也稱“增材制造”(additive manufacturing，AM)技術(shù)，是基于離散-堆積原理，將零件三維數(shù)據(jù)離散化處理成點、線、面，然后逐層疊加材料，實現(xiàn)工件從零到近凈成形的技術(shù)。因而3D打印技術(shù)可以在一臺設(shè)備上快速精確地制備出任何形狀復(fù)雜的精密零件，拓寬了設(shè)計空間，減少了加工工序，提高了材料利用率，可大幅降低工件研發(fā)周期和生產(chǎn)成本[11-12]。2019年，全球AM產(chǎn)品和服務(wù)達到158億美元；Wohlers Report 2019預(yù)測，2022年AM收入將增至239億美元[13]。3D打印可以通過控制金剛石的顆粒排布，來優(yōu)化工具結(jié)構(gòu)進而提高其性能，是未來金剛石工具制備的發(fā)展方向之一。

1 3D打印技術(shù)的分類及特點

3D打印技術(shù)以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，使用金屬、塑料等可黏合材料，通過逐層疊加的方式來構(gòu)造物體[14]。目前，用于制造金剛石工具的3D打印技術(shù)主要有選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(selective laser sintering，SLS)、激光選區(qū)熔化技術(shù)(selective laser melting，SLM)、立體光固化技術(shù)(stereolithography，SLA)、漿料直寫成型技術(shù)(direct ink writing，DIW)等4種，其打印技術(shù)的對比如表1所示[15]。

表1 3D打印技術(shù)對比

1.1 SLS技術(shù)

SLS技術(shù)可加工各種粉末材料，成形時先把粉末材料鋪在工作臺上，激光束按照CAD數(shù)據(jù)掃描，將粉末加熱至略低于其熔化溫度后燒結(jié)成固體。一層完成后，工作臺下降一個截面層的高度(通常小于0.1 mm),再進行新一層的鋪粉和燒結(jié)，直到打印完整個三維實體，物體冷卻后再將其取出，如圖2所示。SLS可成形的材料廣，包括塑料、聚合物、金屬以及復(fù)合粉末等，材料利用率高，可以打印任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)(如鏤空結(jié)構(gòu)和中空結(jié)構(gòu)等)，目前主要用于小批量零件的生產(chǎn)和原型件制造中[16-17]。且SLS可通過設(shè)計帶有內(nèi)冷卻流道的金剛石工具，避免其加工過程中出現(xiàn)堵塞和燒傷問題。

圖2 SLS打印原理圖

1.2 SLM技術(shù)

SLM技術(shù)是在選擇性激光燒結(jié)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，它利用高能激光束掃描路徑上的粉末，選擇性地熔化粉末并凝固成形；單層成形后，工作艙下降一層高度，鋪粉器重新鋪放一層粉末，再凝固成形；如此反復(fù)，層層堆積，直到制造出成形零件，如圖3所示。同時，整個制造過程都是在氧質(zhì)量分數(shù)低于0.5%的惰性氣體中完成。

圖3 SLM打印原理圖

SLS是將粉末加熱到略低于其熔化溫度時使部分粉末熔化而融合在一起，而SLM是將粉末充分熔化成液態(tài)后快速致密化，因此可成形近全致密零件且不需要其他后處理。SLM適合于金屬基材料的成形，包括鐵基合金、鎳基合金、鋁合金、鈦合金、鎂合金及其復(fù)合材料等[18-20]。SLM可將金屬材料與金剛石顆?；旌衔锎蛴〕山饎偸ぞ?，同時優(yōu)化制品結(jié)構(gòu)，控制其孔隙率，提高其抗疲勞壽命和斷裂韌性[21]。

1.3 SLA技術(shù)

SLA技術(shù)是一種集控制技術(shù)、激光技術(shù)、物理化學(xué)技術(shù)于一體的快速原型制造技術(shù)，是使用一種或多種液態(tài)樹脂和支撐材料在一定波長的紫外光作用下發(fā)生光聚合反應(yīng)，使單體和低聚物固化成剛性或柔性實體，如圖4所示。打印完成后，三維實體需進行后處理以除去表面未固化的樹脂和支撐物，且一些功能零件可通過后固化提高其強度和穩(wěn)定性。所有3D打印技術(shù)中，SLA的精度和分辨率最高，工件的表面光潔度最好，加工速度快，產(chǎn)品強度高，適用于注塑模型、快速原型制造和刀具制造。但SLA系統(tǒng)和材料成本高昂，專業(yè)的SLA打印機需數(shù)千美元。將SLA與數(shù)字光處理(digital light processing，DLP)技術(shù)結(jié)合開發(fā)桌面SLA打印機，可有效降低其生產(chǎn)成本[22-23]。

圖4 SLA打印原理圖

1.4 DIW技術(shù)

DIW是一種基于流體漿料擠出的固體成形方式，采用具有剪切變稀特性的漿料，通過計算機控制噴嘴移動路徑，擠出絲狀材料層，層層疊加制備三維實體，如圖5所示[24]。

圖5 DIW打印原理圖

DIW使用的材料黏度較大，所選用的噴嘴直徑(10 μm及以上)比噴墨打印(ink jet printing，IJP)的大。該技術(shù)無需激光條件和任何模具，可以在常溫下成形微米級以下產(chǎn)品；還可成形大高寬比結(jié)構(gòu)，無支撐制備不連續(xù)結(jié)構(gòu)，這在其他3D打印技術(shù)中是難以實現(xiàn)的。DIW可用于制備多孔支架、集成電路部件、木堆結(jié)構(gòu)等，在光電領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)治療具有很大的應(yīng)用前景，如制備傳感器、電池、過濾器、生物結(jié)構(gòu)等。此外，DIW適用于制備網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，打印網(wǎng)格狀金剛石工具時能有效降低表面溫度，節(jié)約成本[25-26]。

總之，傳統(tǒng)方法制備的金剛石工具磨料與結(jié)合劑之間較難形成化學(xué)冶金結(jié)合，易導(dǎo)致金剛石顆粒過早脫落等。但SLS、SLM等使用的高能激光束可以將金屬粉末完全熔化，使金剛石磨粒與金屬間形成化學(xué)冶金結(jié)合，金剛石顆粒與結(jié)合劑結(jié)合牢固，成形的產(chǎn)品具有合金化程度高、性能穩(wěn)定等特點。

2016年，YANG等[27-28]采用SLS技術(shù)制備了金剛石砂輪，激光功率為300～500 W，能量密度為342 J/mm2，掃描速度為25～35 mm/min，并以二氧化碳為保護氣體。制作的砂輪中金剛石顆粒規(guī)則排布，且磨削力均勻分布，提高了工件表面加工質(zhì)量，如圖6所示。隨后磨削測試表明：當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速為20 m/s，磨削深度為0.08 mm時，金剛石無脫落現(xiàn)象。但SLS使用激光燒結(jié)金剛石和結(jié)合劑，激光能量較低時金剛石易脫落，能量過高時金剛石又存在部分石墨化現(xiàn)象。

(a)金剛石規(guī)則排布 (b)燒結(jié)后金剛石形貌 (c)磨削后金剛石形貌

楊展等[29]采用SLM制備了金屬基金剛石復(fù)合材料，制備條件是激光功率為180～200 W，掃描速度為700～900 mm/s，掃描間距為0.07 mm，鋪粉厚度為0.3 mm。結(jié)果表明：未被激光直接掃過的金剛石顆粒仍然保持了較好的晶形和完整的晶面，而SLM成形的金屬基胎體對金剛石包鑲緊密，在金剛石表面與合金粉末接觸處存在浸潤薄層，表明其結(jié)合方式為冶金結(jié)合方式，有利于保證金剛石的包鑲強度。然而在制備過程中，因金剛石顆粒導(dǎo)熱率高，熔池冷卻速度快，冷卻過程中金屬結(jié)合劑和金剛石的結(jié)合界面處存在殘余應(yīng)力，易形成脆性相，且難以保證金剛石的均勻分布等[30-31]。

SLA固化的材料為樹脂等，溫度過高會導(dǎo)致其熔化，因此激光溫度不超過100 ℃，一般不會出現(xiàn)金剛石石墨化的問題。將SLA應(yīng)用于金剛石工具制造中，可實現(xiàn)其快速成形，且能控制金剛石顆粒的精確排布。邱燕飛等[32]從金剛石顆粒排布展開研究，使用立體光固化技術(shù)研究了金剛石顆粒呈環(huán)形、螺旋形或矩形分布的樹脂結(jié)合劑砂輪，如圖7所示。

圖7 SLA打印金剛石砂輪

2 3D打印的金剛石工具

直接打印金剛石顆粒的難度較大，只有專利中出現(xiàn)過此類制備方法[33]。但通過結(jié)合劑將金剛石顆粒黏結(jié)成一定的幾何形狀，就可以降低打印的難度，提高其結(jié)合強度。金剛石工具所使用的結(jié)合劑可分為樹脂結(jié)合劑、金屬結(jié)合劑和陶瓷結(jié)合劑3種。樹脂結(jié)合劑黏性和彈性好；金屬結(jié)合劑熔點低，韌性好；陶瓷結(jié)合劑對金剛石顆粒的結(jié)合強度高于樹脂結(jié)合劑的，自銳性優(yōu)于金屬結(jié)合劑的。此外，金屬-陶瓷復(fù)合結(jié)合劑綜合了2種材料的優(yōu)異性能，也受到了廣泛關(guān)注。利用3D打印技術(shù)制造金剛石工具，可以實現(xiàn)設(shè)計自由，打印出功能梯度結(jié)構(gòu)，控制工具中氣孔的形狀、尺寸，使金剛石顆粒分布均勻等。

2.1 3D打印樹脂結(jié)合劑金剛石工具

以樹脂為黏結(jié)材料，金屬粉末、金屬氧化物和金剛石為填充原料混合制成成形料，經(jīng)過一定的工藝可制成樹脂結(jié)合劑金剛石工具。樹脂結(jié)合劑主要包括酚醛樹脂、聚酰亞胺樹脂和環(huán)氧樹脂等，具有彈性好、耐沖擊性和抗腐蝕能力好、固化溫度低等優(yōu)勢。傳統(tǒng)方法制備樹脂結(jié)合劑金剛石工具時需經(jīng)樹脂研磨混合、熱壓成形、固化、脫模成坯體，再后續(xù)處理制成制品等工序，其加工周期長、工藝較復(fù)雜，不適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的快速成形[34]。

引入3D打印技術(shù)制備樹脂結(jié)合劑金剛石工具可大幅縮短生產(chǎn)周期，打印出特殊結(jié)構(gòu)來提高工具散熱能力，降低加工時的應(yīng)力等。Sandvik公司首次利用SLA技術(shù)打印了樹脂結(jié)合劑金剛石薄膜，這種超硬薄膜材料可用于工業(yè)領(lǐng)域[35]。2018年，DU等[36]以尼龍為結(jié)合劑，空心玻璃球為造孔劑，代號為M 34/42的金剛石微粉為磨料，利用SLS打印了帶內(nèi)冷卻微流道的樹脂結(jié)合劑砂輪，如圖8所示。圖8中的內(nèi)冷卻微流道有助于提高砂輪的散熱能力，降低其磨削力和工件的表面粗糙度；而且，SLS燒結(jié)樹脂結(jié)合劑砂輪時的溫度約為170 ℃，可有效避免金剛石的石墨化。然而，樹脂結(jié)合劑存在耐熱性較差，制作的工具磨損量大的問題。

圖8 樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪

2.2 3D打印金屬結(jié)合劑金剛石工具

用金屬結(jié)合劑制備金剛石工具時，其線膨脹系數(shù)應(yīng)與金剛石的相近， 且對金剛石顆粒把持力要好。目前，金屬結(jié)合劑主要有鈷基、銅基、鐵基、鎢基以及預(yù)合金粉末等，且金屬結(jié)合劑金剛石工具強度高、耐磨性好、保形性好、承載力高。但傳統(tǒng)方法制備的金屬結(jié)合劑工具常面臨工件表面燒傷、金剛石顆粒脫落、使用壽命短等問題。研究人員利用3D打印技術(shù)制備了金剛石砂輪和鉆頭，可以有效解決上述問題，如圖9所示。

(a)多孔砂輪 (b)柵格狀砂輪 (c)功能梯度結(jié)構(gòu)砂輪

為了解決金屬結(jié)合劑工具磨削過程中因瞬時高溫產(chǎn)生的燒傷問題和堵塞問題，3D打印技術(shù)可通過設(shè)計多孔晶格結(jié)構(gòu)，提高砂輪的磨削性能。TIAN等[37-39]將重點放在優(yōu)化砂輪氣孔上，以AlSi10Mg為結(jié)合劑，利用SLM技術(shù)制備了具有八面體通孔的砂輪(圖9a)，通孔孔徑為1.5 mm，孔隙率為53%時的機械強度和磨削性能最佳；且八面體通孔結(jié)構(gòu)在減少材料損耗的同時保證了砂輪的機械性能，提高了其散熱能力，增大了容屑空間。

在鉆探工具上，研究人員打印了網(wǎng)格狀、柵格狀結(jié)構(gòu)工具，既節(jié)省了材料，又提高了工作效率。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的金剛石鉆頭能夠承受的壓力較小，WU等[40-41]以Inconel 718 /Co-Cr-Mo合金為結(jié)合劑制備了柵格狀金剛石鉆頭，柵格片有呈徑向同心分布的工作層，最內(nèi)層與最外層厚度為0.2～1.0 mm，中間層厚度為0.5～1.0 mm，柵格片間的最佳間距為2 mm，如圖9b所示，圖9b中的1為外部柵格片，2為內(nèi)部柵格片，3為中間柵格片，4為水道，5為基體，6為柵格片，7為柵格片間距。此鉆頭優(yōu)化了切削齒工作面結(jié)構(gòu)和切削軌跡，工作層可快速壓入巖層，抗壓強度可達160 MPa，適用于破碎深層礦物顆粒較大的堅硬巖層。

同時，3D打印技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形方面也有明顯優(yōu)勢，但在處理時對金剛石來說存在激光溫度過高等問題。為了解決上述問題，RAHMANI等[42-44]通過SLM和火花等離子燒結(jié)(spark plasma sintering，SPS)2種技術(shù)相結(jié)合制備了功能梯度網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的鉆探工具，其底層為316L不銹鋼/Ti6Al4V材料，延展性好，抗裂性高；中間層為316L不銹鋼/Ti6Al4V-金剛石復(fù)合材料；頂層為鍍鎳金剛石，金剛石硬度高、耐磨性好，如圖9c所示。動力學(xué)仿真結(jié)果表明：功能梯度結(jié)構(gòu)的抗沖擊性和變形程度明顯優(yōu)于單一結(jié)構(gòu)的。2種技術(shù)相結(jié)合可提高金剛石顆粒分布的均勻性，減少金剛石的石墨化。

2.3 3D打印陶瓷結(jié)合劑金剛石工具

陶瓷結(jié)合劑對金剛石顆粒的潤濕和包覆性好，可黏結(jié)金剛石顆粒，提高金剛石工具強度；同時，陶瓷結(jié)合劑金剛石工具自銳性好，氣孔率和氣孔尺寸可控，硬度和強度高。但高溫下燒結(jié)時金剛石極易被氧化和石墨化，特別是與其他材料混合時更顯著，因此需盡量降低陶瓷結(jié)合劑的燒結(jié)溫度。為了降低陶瓷結(jié)合劑的熔點以降低其燒結(jié)溫度，常加入硼玻璃、氧化鋰、氧化鈉等低熔點氧化物[45-46]。目前，陶瓷結(jié)合劑熔點可達680 ℃以下，且燒結(jié)后幾乎零變形。隨著低熔點陶瓷結(jié)合劑的開發(fā)，其金剛石工具的優(yōu)勢更加顯著。然而，由于陶瓷材料硬度較高，很難被制成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工具，但結(jié)合3D打印技術(shù)就可制備出復(fù)雜結(jié)構(gòu)工具以實現(xiàn)工程應(yīng)用。目前，DAVID等[33]申請了專利，使用預(yù)陶瓷化聚合物和納米顆?；旌咸畛洳牧?，可打印出幾乎任何形狀的含金剛石顆粒的材料，但仍未制造出實體工具。此外，本課題組采用DIW技術(shù)制備了網(wǎng)格、三角多孔結(jié)構(gòu)的陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪，制備過程如圖10所示。圖10中的成品氣孔率可控且分布均勻，燒結(jié)后金剛石無石墨化現(xiàn)象；且多孔結(jié)構(gòu)磨具可有效提高容屑、排屑能力并提高材料去除率。

圖10 DIW打印金剛石工具流程圖

將國內(nèi)外主要研究者的成果綜合起來，得到3D打印金剛石工具的材料及工藝參數(shù)表2。

表2 國內(nèi)外主要3D打印金剛石工具的材料及工藝參數(shù)

3 結(jié)語及展望

3D打印適用于精密零件的小批量生產(chǎn)，可以打印聚合物、金屬、陶瓷等多種材料，在機械制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文介紹了用于制備金剛石工具的3D打印SLS、SLM、SLA、DIW技術(shù)的基本原理及其在金剛石工具制備方面的研究進展，分析了不同結(jié)合劑3D打印金剛石工具的特點，并列出了所選用的材料和主要工藝參數(shù)。

未來3D打印金剛石工具應(yīng)解決的關(guān)鍵問題和發(fā)展方向如下：

(1)金剛石在高溫打印過程中存在石墨化等問題，通過優(yōu)化打印參數(shù)，在金剛石表面鍍覆金屬等來防止金剛石表面的氧化、產(chǎn)生孔洞等，同時使用高性能結(jié)合劑來保證其界面結(jié)合強度。

(2)金剛石工具在使用過程中存在磨具易堵塞、散熱差等問題，未來金剛石工具將向著優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，如制備功能梯度結(jié)構(gòu)、內(nèi)冷卻流道和不同網(wǎng)格結(jié)構(gòu)等，以提高其散熱能力。

(3)3D打印的金剛石工具還存在表面質(zhì)量差、殘余應(yīng)力高等問題，將3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)處理技術(shù)相結(jié)合互相補充，以制備高效率、超精密、低損傷的金剛石工具。

(4)不同結(jié)合劑各有優(yōu)缺點，制備陶瓷/金屬、陶瓷/樹脂等復(fù)合結(jié)合劑工具，可綜合不同結(jié)合劑的優(yōu)勢，而制備出復(fù)合材料的多功能金剛石工具。