3D打印蠟粉成形工藝研究和應(yīng)用驗(yàn)證

■ 宋彬，及曉陽，任瑞，高文謙，孫寧，侯尉

在3D打印增材技術(shù)領(lǐng)域，復(fù)合蠟粉選擇性激光燒結(jié)工藝十分復(fù)雜，成形過程要求參數(shù)范圍較窄，成形能力差，掌握比較困難。本文從SLS成形質(zhì)量的幾個(gè)重要的步驟和參數(shù)進(jìn)行分析試驗(yàn)，通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，探索出復(fù)合蠟粉選擇性激光燒結(jié)工藝規(guī)律，通過實(shí)際樣件和零件進(jìn)行驗(yàn)證。

一、蠟粉成形精度控制技術(shù)

1. 燒結(jié)工藝參數(shù)控制精度的方法

通過理論分析和試驗(yàn)認(rèn)為對(duì)于固定特性的粉末材料，激光選區(qū)燒結(jié)成形過程中的誤差來源于三個(gè)方面：模型數(shù)據(jù)處理誤差、成形機(jī)系統(tǒng)誤差、成形工藝和翹曲變形誤差。但是只有小部分參數(shù)是我們所能控制和調(diào)整的。如鋪粉軸的轉(zhuǎn)速和運(yùn)動(dòng)方式、軟件算法、初始切片層的選取等參數(shù)，在成形機(jī)生產(chǎn)過程中就己被鎖定了，故我們不能調(diào)節(jié)這些參數(shù)。使用過程中可調(diào)整的設(shè)備參數(shù)有預(yù)熱溫度、預(yù)熱時(shí)間、單層厚度、掃描延時(shí)、激光功率、掃描方式、掃描間距、掃描速度、鋪粉厚度、修正系數(shù)及保溫時(shí)間等，而這些因素并不是單獨(dú)起作用，而是相互作用、相互影響的。

（1）預(yù)熱溫度 預(yù)熱情況對(duì)成形質(zhì)量的影響是非常大的。在燒結(jié)進(jìn)行前，必須先用成形材料打底，目的是將成形件黏附在底上，防止成形件被鋪粉軸推走和燒結(jié)初期的翹曲變形。打底時(shí)，對(duì)預(yù)熱溫度和時(shí)間的控制很關(guān)鍵，預(yù)熱溫度過高、時(shí)間過長，造成底部板結(jié)甚至熔融，會(huì)對(duì)取件造成困難；預(yù)熱溫度不夠或時(shí)間不足，成形件容易發(fā)生翹曲變形，且不易黏附成功。圖1分別為預(yù)熱良好和預(yù)熱不足情況下的燒結(jié)件。

根據(jù)復(fù)合蠟粉材料性質(zhì)，試驗(yàn)時(shí)預(yù)熱區(qū)間選擇為30～60℃。經(jīng)多次試驗(yàn)，精鑄蠟粉燒結(jié)打底時(shí)預(yù)熱溫度控制在50℃，時(shí)間在10min最佳。

圖1 未加預(yù)熱引起的翹曲變形情況

在燒結(jié)過程中，預(yù)熱溫度對(duì)成形件尺寸精度和翹曲變形的影響很大。如果在燒結(jié)時(shí)粉末沒有經(jīng)過預(yù)熱，激光掃描時(shí)可使燒結(jié)層的上部分瞬間達(dá)到熔點(diǎn)，而此時(shí)燒結(jié)層下部分的溫度卻升高不多。燒結(jié)層上下表面的溫差必然導(dǎo)致燒結(jié)層不均勻，翹曲變形在所難免。因此，提高預(yù)熱溫度有助于減小粉料燒結(jié)層上下表面的溫差，從而減小成形件的翹曲變形。

（2）掃描速度 試驗(yàn)時(shí)，掃描速度區(qū)間為1400～2000mm/s。當(dāng)掃描速度較高時(shí)，粉末材料吸收的能量少，粉末未能充分熔化黏結(jié)，粉層上下受熱不均勻，容易產(chǎn)生翹曲變形，而且成形件強(qiáng)度低。但此時(shí)粉末熔融程度低，材料收縮量較小，故成形件收縮率小，成形精度較高。與之相反，掃描速度降低時(shí)，材料吸收能量多，粉層上下受熱均勻，熔融程度高，不易發(fā)生翹曲變形，同時(shí)成形件強(qiáng)度高，但材料收縮較大，成形尺寸變形較大。

（3）激光功率 根據(jù)材料性質(zhì)，試驗(yàn)所選激光功率區(qū)間為10～20W。在此區(qū)間，當(dāng)激光功率較小時(shí)，輸入的能量低，燒結(jié)層下表面粉末未能充分熔化黏結(jié)，燒結(jié)層上下表面存在溫差，成形件會(huì)發(fā)生翹曲變形。但此時(shí)因材料收縮程度低，故成形精度較高，成形件強(qiáng)度卻較差。而隨著激光功率的增加，粉末材料熔融程度增加，翹曲變形會(huì)相應(yīng)減小，當(dāng)激光功率增加到使燒結(jié)層基本熔融時(shí)，燒結(jié)層的蠟粉已成為流體，基本不會(huì)發(fā)生翹曲變形，但此時(shí)材料收縮率最大，故尺寸變形較大，成形件強(qiáng)度較高。

（4）鋪粉厚度 鋪粉厚度即工作缸下降一層的高度，其對(duì)燒結(jié)工藝的影響也是很關(guān)鍵的。層厚過大將導(dǎo)致激光束不能穿透該燒結(jié)層，層與層之間黏結(jié)不牢靠，造成分層；而過小的層厚會(huì)導(dǎo)致部分已燒結(jié)的粉末重新燒結(jié)，降低形坯的成形精度，不過減小燒結(jié)厚度可以增大燒結(jié)件的燒結(jié)密度，進(jìn)而提高燒結(jié)件的強(qiáng)度。通過試驗(yàn)研究表明，鋪粉過程中鋪粉輥對(duì)成形缸內(nèi)粉末有一個(gè)向下的壓力和一個(gè)水平的力，向下的壓力有利于提高粉末的松裝密度，水平力使得層與層之間會(huì)產(chǎn)生微小的偏移，使得精度降低，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致成形件的完全破壞。

對(duì)于有曲面的零件，層厚直接影響形坯的表面精度和形狀精度。層厚直接影響制件的階梯效應(yīng)，隨著單層層厚的增加，曲面零件的階梯效應(yīng)更加明顯，使得制件精度出現(xiàn)很大偏差。因此，對(duì)于有曲面的制件，可以通過適當(dāng)減小層厚來提高原型精度。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于平均粒徑為45μm的復(fù)合蠟粉，厚度范圍以 0.15～0.21mm 為最佳。

2. 燒結(jié)工藝參數(shù)正交試驗(yàn)

為獲得復(fù)合蠟粉燒結(jié)件的最佳工藝，采用正交試驗(yàn)法燒結(jié)工藝參數(shù)進(jìn)行分析，對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)、統(tǒng)計(jì)分析、綜合比較，以達(dá)到最高生產(chǎn)工藝效果。最終獲得的工藝參數(shù)如表1所示。

我們采用了優(yōu)化后的燒結(jié)工藝參數(shù)進(jìn)行燒結(jié)試驗(yàn)，來保證燒結(jié)件的燒結(jié)密度和尺寸精度。

3. 復(fù)合蠟粉的選擇性激光燒結(jié)件

圖2為新型復(fù)合蠟粉部分激光燒結(jié)燒結(jié)件，有壁厚＜1mm、層數(shù)＞1500層的薄壁部件，有曲面（葉片）燒結(jié)的誘導(dǎo)輪等，進(jìn)一步說明了該新型復(fù)合蠟粉滿足選擇性激光燒結(jié)對(duì)粉末材料的要求。

二、激光燒結(jié)蠟型后處理技術(shù)工藝研究

1. 后處理目的和意義

選擇性激光燒結(jié)屬于無壓敞開燒結(jié)，所以直接成形的成形件內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密性差，且由于是疊加燒結(jié)，燒結(jié)件強(qiáng)度低、表面粗糙甚至有臺(tái)階效應(yīng)（見圖3），又因粉末材料很容易脫落，所以未經(jīng)后處理的成形件不能滿足后續(xù)精密鑄造的要求。這里選用滲蠟的方法進(jìn)行后處理，原因有三點(diǎn)。

第一，盡管蠟粉原型燒結(jié)密度較高，但仍有約30%的孔隙率，且由于燒結(jié)時(shí)間短，孔隙間并沒有形成閉孔，而是連通著的，蠟液體可以通過孔隙通道逐漸滲透，以達(dá)到減小制件孔隙率的目的，并且實(shí)際經(jīng)驗(yàn)也證明可以得到好的處理效果。

圖2 復(fù)合蠟粉部分燒結(jié)成形件

表1 最大燒結(jié)密度工藝參數(shù)

第二，燒結(jié)件主要用于后續(xù)的熔模鑄造工藝，這類浸蠟處理的原型容易和隨后的鑄造工藝配合。

第三，浸蠟處理后形成的原型表面易打磨光滑，降低原型表面粗糙度值。若原型表面有小損傷也可以用蠟液修補(bǔ)，提高其表面精度。

2. 后處理工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化

（1）成形件滲蠟前的預(yù)處理 ①清理與修整：成形件燒結(jié)結(jié)束后，為了防止成形件由于突然溫度降低而產(chǎn)生翹曲變形，需要在成形缸內(nèi)冷卻30min以上。取出成形件后，清理表面的粉末，將一些地方進(jìn)行必要的打磨、修整，以保證制件的尺寸精度。②制件預(yù)熱處理：在滲蠟前還需預(yù)熱成形件，防止因?yàn)槌尚渭拖炓簻夭钸^大，從而引起成形件的開裂和變形。試驗(yàn)中，將成形件放置于40℃的烤箱中預(yù)熱30min。③成形件浸蠟：將預(yù)熱好的成形件在合理的工藝參數(shù)下進(jìn)行兩次滲蠟操作，第一次以蠟液填充成形件孔隙為主，第二次以成形件表面掛蠟為主。④滲蠟件表面處理：對(duì)滲蠟后的成形件進(jìn)行表面修理，一方面修補(bǔ)成形件的缺損和裂縫，另一方面打磨燒結(jié)件表面，增加表面光滑度，提高燒結(jié)件精度。

（2）滲蠟處理 ①蠟的選用與配制：蠟要具有良好的流動(dòng)性、浸潤性，蠟質(zhì)要純凈，不可混有雜質(zhì)，而且要求蠟的熔點(diǎn)較低；同時(shí)，要考慮在滿足使用條件的情況下盡量降低蠟的成本。由于一般的工業(yè)石蠟熔點(diǎn)較高（一般在100℃左右），不能用于滲蠟，這里選用工業(yè)石蠟與硬脂酸鈣按1：1的比例配制的低熔點(diǎn)蠟，熔點(diǎn)為55～60℃。②蠟液溫度控制：蠟液溫度是后處理過程中最重要的一個(gè)參數(shù)。一般來說，蠟液溫度提高，蠟液的流動(dòng)性也提高，成形件表面滲蠟厚度變小，但過高的蠟液溫度會(huì)導(dǎo)致成形件因溫差大而脆裂，甚至發(fā)生軟化、變形；反之，蠟液溫度降低，蠟液的流動(dòng)性也降低，成形件表面滲蠟厚度變大，溫度過低會(huì)導(dǎo)致蠟液掛不住，起不到滲蠟的作用。試驗(yàn)中分別采用70℃、72℃、74℃、76℃、78℃共5個(gè)蠟液溫度進(jìn)行試驗(yàn)，觀察試驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)比后處理前后成形件的性能和表面。③滲蠟過程：將預(yù)熱后的成形件取出，放在網(wǎng)狀托盤上，然后緩慢放入溫度設(shè)定好的化蠟池中。滲蠟過程中，成形件會(huì)因?yàn)楦×Φ淖饔枚荒芡耆寥胂灣兀捎貌ＡО粜⌒陌磯?、翻滾成形件，保證其滲蠟完全、均勻。取出成形件時(shí)，應(yīng)保證孔洞、溝槽等向下，便于其中多余的蠟液流出。待成形件冷卻至室溫，即可進(jìn)行精整處理。④二次滲蠟：對(duì)于作為熔模鑄造的“蠟?zāi)！笔褂玫某尚渭碚f，表面滲蠟的目的主要是降低其表面粗糙度值和增加蠟感；同時(shí)，可對(duì)制件形狀、尺寸進(jìn)行一定修補(bǔ)。此外，成形件表面滲有一定厚度的蠟層后，也便于連接澆冒口系統(tǒng)。成形件表面滲蠟后強(qiáng)度會(huì)有一定的提高，但一次滲蠟后，成形件表面并沒有想象中的那么光滑，而且由于浸入時(shí)間過短，蠟液可能還沒完全滲入成形件，所以二次滲蠟是很有必要的。

（3）微觀結(jié)構(gòu) 圖4和圖5分別為浸蠟前和二次浸蠟后的誘導(dǎo)輪斷口放大500倍的SEM照片，從中可以看出，浸蠟前誘導(dǎo)輪斷面粗糙，有明顯的孔洞和凹陷。浸蠟后的誘導(dǎo)輪，斷面光滑，蠟液進(jìn)入誘導(dǎo)輪內(nèi)部，填充了內(nèi)部孔洞與凹陷。隨著誘導(dǎo)輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)的填充和完整，致密性會(huì)提高，其性能和強(qiáng)度必然會(huì)得到明顯改善。

圖3 成形件的臺(tái)階效應(yīng)

圖4 浸蠟前的誘導(dǎo)輪斷口（500×）

圖5 二次浸蠟后的誘導(dǎo)（500×）

三、蠟粉增材制造設(shè)備的考核及應(yīng)用

1. 鑄件工藝考核

為了全面考核復(fù)合蠟粉燒結(jié)件對(duì)傳統(tǒng)精密鑄造工藝的適應(yīng)性，選擇了外形復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)框架雙金屬缸體鑄件進(jìn)行考核。其鑄造工藝裝配和鑄件毛坯如圖6、圖7所示。

2. 缸體鑄件的解剖及性能檢測(cè)

（1）缸體解剖檢測(cè) 實(shí)際解剖后鑄件各部分的組織均勻，主要有α固溶體和大量彌散分布的θ'相（CuAl2的過渡相），二次T相呈彌散小質(zhì)點(diǎn)析出，大幅提高了合金的力學(xué)性能，達(dá)到技術(shù)要求（見表2）。鑄件無損檢測(cè)合格。

（2）鑄件外觀檢查 鑄件進(jìn)排氣道內(nèi)壁及下部加工面未見裂紋、疏松、冷隔等鑄造缺陷；解剖后內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)缺陷。

鑄件水壓試驗(yàn)：水道在490～588kPa的壓力下進(jìn)行水壓試驗(yàn)（水溫50～70℃）10min，沒有漏水情況。

（3）尺寸精度和表面粗糙度檢測(cè) 經(jīng)檢測(cè)，鑄件尺寸精度達(dá)到CT5，表面粗糙度達(dá)Ra=3.2mm 。

四、結(jié)語

通過3D打印SLS技術(shù)對(duì)復(fù)合蠟粉成形工藝的探索，采用試驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析的方法實(shí)現(xiàn)了復(fù)合蠟粉成形樣件的打印，掌握了復(fù)合蠟粉成形工藝。并以雙金屬三缸缸體作為實(shí)例，實(shí)現(xiàn)蠟?zāi)３尚?、鑄造工藝設(shè)計(jì)、石膏型熔模精密鑄造、解剖、X射線無損檢測(cè)、金相組織分析，以及力學(xué)性能分析等快速鑄造過程，驗(yàn)證了復(fù)合蠟粉成形工藝的合理性，蠟件鑄造性較好。

圖6 雙金屬缸體蠟?zāi)沧⑾到y(tǒng)

圖7 雙金屬缸體蠟?zāi)＜拌T件

表2 室溫力學(xué)性能

[1] 宋彬，等. 3D打印技術(shù)和鑄造模擬技術(shù)在精密鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]. 金屬加工（熱加工），2016（19）：28-31.

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