送粉式金屬3D打印的技術(shù)現(xiàn)狀及前景分析

李立秋

（沈陽瑞達(dá)機(jī)械自動(dòng)化有限公司，遼寧 沈陽 110000）

1 幾種常見的金屬3D打印工藝對(duì)比

金屬3D打印，常用的工藝方式有電弧送絲打?。ê喎Q為WAAM）、送粉打印（簡稱LDM）和鋪粉打?。⊿LM）。對(duì)其特點(diǎn)、適合的用途做簡要對(duì)比，見表1。

表1 常見金屬3打印工藝特點(diǎn)對(duì)比

從上表可以看出，送粉打印具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：可以混合多種材料完成梯度打印，以及具有減重要求和內(nèi)流道結(jié)構(gòu)的大型制件。這使其在當(dāng)前具有不可替代性。

2 送粉式3D打印的技術(shù)問題及其應(yīng)對(duì)措施

2.1 送粉式3D打印的技術(shù)問題分析

送粉式3D打印，在加工過程中，激光的光斑與送粉噴嘴在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下做同步運(yùn)動(dòng)，光斑走到的地方形成熔池，同時(shí)粉末落入熔池，形成增材打印的工件體。在工藝參數(shù)確定后的打印過程中，仍有以下幾個(gè)問題需要特別重視：

打印往往是在基板上開展的；而基板初始是冷態(tài)，在打印一段時(shí)間后，基板及新打印出的工件體具備了一定的溫度。冷態(tài)的基板，必然快速的吸收大量的熱，造成初始加工時(shí)熔池溫度偏低。這是在基板附近形成制件質(zhì)量問題的主要因素。

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在直線運(yùn)動(dòng)時(shí)是勻速的，但在拐彎折角處并非勻速，久而久之會(huì)在拐彎折角處形成打印凸起；對(duì)應(yīng)的，在直線打印部位形成塌腰。

工件表面的高低差異，會(huì)造成送粉噴嘴相對(duì)工件表面的距離時(shí)近時(shí)遠(yuǎn)，熔池的光反射會(huì)使粉末在送粉噴嘴處熔化和再凝結(jié)，形成凝結(jié)塊。凝結(jié)塊一旦跌落到熔池，會(huì)造成制件表面的個(gè)別凸起，在此處容易形成氣孔；凝結(jié)塊長時(shí)間存在于噴嘴處又容易造成噴嘴堵塞，使送粉參數(shù)被動(dòng)改變。

工件表面的凸起、凹陷，造成激光在工件表面聚焦?fàn)顟B(tài)發(fā)生變化，這會(huì)影響激光對(duì)工件表面的作用效果，進(jìn)而造成工件加工過程中激光功率密度發(fā)生變化。

因工件表面狀態(tài)不理想造成工藝參數(shù)被動(dòng)變化，是制件產(chǎn)生裂紋的一個(gè)主要因素。

所以，在工藝參數(shù)設(shè)定合理的情況下，3D打印過程中送粉過程的不理想和光斑移動(dòng)速度的不均勻，是造成工件缺陷的主要本質(zhì)因素。而光斑移動(dòng)速度受限于機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，不可能做到完全理想；送粉噴嘴形成凝結(jié)塊以及凝結(jié)塊的脫落和送粉噴嘴的堵塞，也屬于偶然的現(xiàn)象，沒有特定的規(guī)律，這兩點(diǎn)都難于直接處理。

2.2 送粉式3D打印難點(diǎn)的應(yīng)對(duì)措施

現(xiàn)在的工程應(yīng)用中，經(jīng)常采用雙比色溫度傳感器或者熔池檢測(cè)相機(jī)，監(jiān)測(cè)熔池的溫度或者形貌，對(duì)激光功率進(jìn)行閉環(huán)控制，這對(duì)抵消基板冷態(tài)給熔池造成的影響有一定的好處。

在不考慮基板溫度的前提下，通過2.1的分析可知，光斑移動(dòng)速度的穩(wěn)定性和送粉狀態(tài)的被動(dòng)改變會(huì)影響熔池，進(jìn)而造成質(zhì)量缺陷。由于光斑移動(dòng)速度和送粉狀態(tài)參數(shù)的被動(dòng)改變?cè)诠こ虒?shí)踐中難于直接管理，也可以通過監(jiān)測(cè)熔池狀態(tài)、并以此控制其他工藝參數(shù)，來使熔池向有益的方向做出調(diào)整。

光斑在拐角處運(yùn)動(dòng)速度變緩，對(duì)應(yīng)的會(huì)造成激光在工件表面的作用時(shí)間加長，所以，熔池溫度會(huì)有相應(yīng)的增高。相對(duì)的，對(duì)于直線段，熔池的溫度應(yīng)該略低于拐角處。

當(dāng)工件表面已經(jīng)產(chǎn)生塌腰，當(dāng)光斑經(jīng)過塌腰區(qū)域時(shí)，因?yàn)榧す饨?jīng)過聚焦鏡片后的匯聚點(diǎn)處于工件表面的上方，造成熔池處激光能量分散，此時(shí)熔池溫度也會(huì)偏低。

基于以上分析，以檢測(cè)熔池溫度為例，可以衍生出新的控制策略——通過監(jiān)測(cè)熔池的溫度，在最初幾層基板為冷態(tài)時(shí)，以熔池溫度監(jiān)測(cè)作為輸入，對(duì)激光功率進(jìn)行閉環(huán)控制，以抵消基板冷態(tài)對(duì)熔池的影響；而基板溫度進(jìn)入熱態(tài)后，當(dāng)檢測(cè)到熔池溫度過低時(shí)，表示光斑正在經(jīng)過塌腰區(qū)域，依據(jù)目標(biāo)溫度與理想溫度的偏差值，按照一定規(guī)則控制設(shè)備降低運(yùn)動(dòng)速度倍率，以延長激光在工件表面的作用時(shí)間和粉末落入的時(shí)間，可以對(duì)塌腰區(qū)域起到自動(dòng)填補(bǔ)的效果。

事實(shí)上，熔池并非是靜態(tài)的，像翻滾的開水，在激光的沖擊作用下，底層的熔融金屬不斷的向上翻滾；而底層翻滾上來的金屬熔液溫度必然比表層原有的金屬熔液溫度低，這會(huì)造成熔池溫度測(cè)量存在一定偏差。另外，如果使用相機(jī)監(jiān)測(cè)熔池形貌，因?yàn)槿鄢氐姆瓭L蕩漾，以及送粉氣體和保護(hù)氣對(duì)熔池的吹動(dòng)效果，熔池的表面形貌也是不穩(wěn)定的；所以，在設(shè)計(jì)控制算法時(shí)，要注意做好濾波和均值處理，避免測(cè)量偏差對(duì)閉環(huán)控制造成不良影響。

3 送粉3D打印的產(chǎn)業(yè)前景

當(dāng)前，因電弧送絲打?。╓AAM）速度快，并且制件部分性能甚至超越傳統(tǒng)的鑄件，所以發(fā)展迅速；鋪粉打?。⊿LM）因其制件精細(xì)，對(duì)具有內(nèi)結(jié)構(gòu)要求的工件減重突出，工藝參數(shù)確定后生產(chǎn)過程幾乎不需要人工參與，所以應(yīng)用市場(chǎng)擴(kuò)張也非常迅速；而送粉打?。↙DM）因?yàn)榧庸み^程需要人工干預(yù)較多，在生產(chǎn)速度上也并不是特別突出，其市場(chǎng)逐漸被擠壓。然而，送粉打印又有其不可替代性：打印成分變化的梯度功能件、以及具有特殊組分的大型結(jié)構(gòu)件，只有送粉打印才能完成，另外，利用送粉打印可以隨時(shí)調(diào)整制件成分的特點(diǎn)，可以開發(fā)出高通量材料測(cè)試設(shè)備，用于新材料開發(fā)，對(duì)于國內(nèi)材料科學(xué)的發(fā)展具有極其重要的意義。所以，送粉打?。↙DM）有其特定的發(fā)展空間和存在必要性。

通過表1所列出的3種3D打印工藝的對(duì)比，送粉3D打?。↙DM）相比于電弧送絲打?。╓AAM）的劣勢(shì)是加工速度，相比于鋪粉3D打?。⊿LM）的劣勢(shì)是制件精度；送粉3D打印的加工速度很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的提升，但是，通過提升制件精度，將快速擴(kuò)大送粉3D打印（LDM）的應(yīng)用場(chǎng)景。將送粉3D打印與傳統(tǒng)的銑削減材加工相結(jié)合，設(shè)計(jì)制造多工位增減材一體設(shè)備，實(shí)現(xiàn)增材打印和減材制造的交替進(jìn)行，當(dāng)在一個(gè)工位做送粉3D打印或者銑削減材的同時(shí)，其他工位用于對(duì)已打印工件的冷卻以等待銑削減材；通過一套增減材設(shè)備交替的對(duì)多個(gè)制件進(jìn)行增材打印和銑削減材的加工，將在提高產(chǎn)品制件精度的同時(shí)，達(dá)到生產(chǎn)效率并未明顯降低的效果，這樣將對(duì)鋪粉3D打?。⊿LM）形成壓倒性優(yōu)勢(shì)，極大擴(kuò)大送粉3D打?。↙DM）的應(yīng)用場(chǎng)景。

實(shí)現(xiàn)送粉3D打印材與銑削減材的一體化，增材和減材的融合是一個(gè)難點(diǎn)，需要解決產(chǎn)品空間定位、增減材過程中坐標(biāo)變換的問題，這需要在軌跡規(guī)劃軟件開發(fā)方面有所發(fā)展創(chuàng)新；還要解決增、減材之間工藝結(jié)合問題：比如，在銑削減材過程中不能使用切削液，否則切削液殘留會(huì)在下一步的打印過程中影響制件的成分。

4 結(jié)語

送粉式3D打印，具有打印速度較快、制件尺寸基本不受限制、可實(shí)現(xiàn)梯度打印等優(yōu)點(diǎn)，這些特點(diǎn)使其在3D打印領(lǐng)域具有不可替代性。對(duì)于送粉3D打印有針對(duì)性的開發(fā)熔池控制技術(shù)、增減材技術(shù)的研究，可以減少送粉3D打印過程對(duì)于工藝人員的依賴，有效的擴(kuò)大送粉3D打印的應(yīng)用場(chǎng)景，帶來廣泛的社會(huì)效益。