綜述：金屬微滴噴射3D打印技術(2)
時間：2023-12-13 09:16 來源：沈航增材 作者：admin 閱讀：次
3. 金屬微滴噴射3D打印主要材料
國內外對金屬均勻液滴技術的研究材料主要為低熔點金屬，如錫、鋅、鋁、銅等合金，如表1所示。
表1金屬微滴噴射成形技主要材料
4.金屬微滴噴射3D打印成形質量與工藝參數
影響微熔滴沉積成形件打印質量的主要有孔洞和裂紋兩種缺陷，兩者各自形貌特征和形成原因均與金屬微熔滴沉積成形技術的工藝特點密切相關。
（1）孔洞缺陷
鋁合金微熔滴沉積成形件內部孔洞缺陷主要是由于熔合不良而形成的間隙孔洞，此類孔洞缺陷形貌不規則且內壁粗糙，大多具有尖角特征，通常出現在同層或上下層熔滴相互搭接的區域。當掃描步距、噴射溫度、基板預熱溫度等工藝參數選擇不當時，內部的間隙孔洞就會大量形成，降低其致密度。
（a）掃描步距的影響
掃描步距是影響制件外觀形貌和內部質量的重要因素之一。如圖10和圖11所示為不同掃描步距下微滴間可能產生的搭接現象。當掃描步距過大時，熔滴間無法有效搭接成型實體；當掃描步距過小時，熔滴間發生過度搭接而隆起。對不同掃描步距下成型的制件內部進行觀察，當搭接率過大或者過小時，內部均會產生孔洞。
圖11 掃描步距對沉積形貌影響示意圖
圖11 不同掃描步距時沉積平面外觀形貌及內部微觀組織（a）1000μm;（b）850μm;（c）750μm;（d）700μm;（e）620μm;（f）600μm
（b）噴射溫度和基板預熱溫度的影響
噴射溫度是鋁合金微熔滴沉積成形過程中最為重要的工藝參數之一，直接決定熔滴所攜帶的能量及其后續鋪展凝固行為。在成形過程中，由于熔滴碰撞變形和鋪展，同層或上下層的相鄰鋁熔滴相互搭接重疊，并在接觸區域形成搭接間隙。當熔滴液相分數較小時，搭接間隙往往難以填充完全，從而形成間隙孔洞，而決定熔滴液相分數的主要參數即為噴射溫度。加利福尼亞大學研究發現，基板的溫度直接影響熔滴到達基板后的降溫速率及其完全凝固后的平衡溫度。在金屬微熔滴沉積過程中，若基板溫度較低，熔滴在較短時間內就會完全凝固，可供熔滴鋪展以及填充搭接間隙的時間較短，同時熔滴完全凝固后的平衡溫度較低，使得下一層沉積熔滴也將具有較高的凝固速率，因此在此條件下，即使其它工藝參數選擇適當，沉積實體內部也將殘留較多間隙孔洞。而對基板進行適當預熱，給予熔滴充分鋪展的時間，可有效抑制間隙孔洞的形成，從而提高成形件的致密度，如圖12所示。
圖12 不同工藝條件下鋁合金微熔滴沉積成形件橫截面
（2）裂紋缺陷
微熔滴沉積成形件內部的裂紋缺陷主要包括熔合線裂紋和細微熱裂紋，如圖13a所示。沿圓弧平緩延伸的裂紋即為熔合線裂紋，它是由熔合線開裂而形成的，尺寸較大，有時甚至可惡化成細長的宏觀縫隙。而曲折而細微的裂紋則為熱裂紋，圖13b是13a中試樣經過腐蝕后的局部放大圖，從中可以看出，細微熱裂紋形貌不規則，沿晶界延伸且常出現分枝。實驗中發現，成形件內部裂紋缺陷的形成與延伸受殘余熱應力集中效應、熔滴重熔效果以及晶粒生長情況等多個因素的影響。
（a）熱應力集中效應的影響
在成形過程中，高溫鋁熔滴的周期性沉積使得沉積實體不斷受到局部熱量輸入和小范圍冷凝行為的影響，再加上凝固過程中冷基板的約束效應，導致成形件內部殘留大量的熱應力。再者，成形件內部常見的間隙孔洞通常尺寸較大、多具有尖角特征且彼此距離較近，該類缺陷周圍應力集中現象明顯。上述因素共同作用，導致鋁合金微熔滴沉積成形件內部間隙孔洞周圍聚集大量熱應力，從而促使裂紋缺陷在此區域內集中出現。適當提高噴射溫度和基板預熱溫度可減少有效間隙孔洞缺陷，此外，對基板進行預熱還可有效降低試樣內部溫度梯度，緩解或消除成形件內部熱應力，因此適當調節噴射溫度和基板預熱溫度是消除殘余熱應力集中效應影響、改善裂紋缺陷的重要措施。
（b）熔滴重熔效果的影響
在沉積過程中，后沉積熔滴攜帶的熱量使已凝固的熔滴表面發生部分重熔，以實現彼此間的冶金結合，進而使整體成形件獲得一定的力學強度。熔滴重熔效果主要決定于噴射溫度和基板預熱溫度，當兩參數選擇不合理時，熔滴表面重熔深度較小甚至僅靠機械楔合作用保持連接，此時在熔滴的結合區域就會殘留明顯的熔合線，它在凝固收縮或熱應力等的作用下就可能惡化為熔合線裂紋缺陷。由此可知，熔合線的存在是熔合線裂紋得以形成及不斷延展的根本原因，通過調節噴射溫度和基板預熱溫度等參數消除熔合線，可從根本上避免因熔合線開裂而形成的裂紋缺陷。
圖13 鋁合金微熔滴沉積成形件內部微觀組織形貌
4. 金屬微滴噴射3D打印現存問題與展望
（1）面向不同應用領域的噴射沉積裝備研究，特別是用于噴射不同高溫金屬材料噴射裝置的開發，均勻金屬微滴穩定噴射沉積是該技術能否得到廣泛應用的關鍵。由于不同金屬材料的物性相差很大，為實現其穩定噴射，需在研究工藝參數對不同材料噴射過程影響規律的基礎上，設計合適的噴射裝置，開發出適用于不同金屬材料噴射的柔性化3D打印裝備。
（2）非均質材料、梯度功能材料及其制件打印與控制系統研究。由于微滴噴射技術具有微量定點精確沉積的特點，在非均質材料、功能材料及其制件成型方面具有獨特優勢。傳統均質材料噴射成型系統及其控制軟件很難直接應用，因此，需要研究多材料噴射沉積機理及其控制方案，開發多噴頭聯動沉積系統、多材質材料/零件模型處理軟件和軌跡規劃算法，以實現依據用戶需求而設計的非均質材料及制件的打印成型。
（3）結構功能一體化集成件噴射沉積打印機理、工藝與成型設備研究。實現結構性能和熱、電、磁等特殊功能集成的結構功能一體化件的成型，需在研究不同材質打印、結合機理、集成方式的基礎上，設計具有熔滴噴射沉積功能與異質組元添加功能的智能化柔性打印設備及其相應軟件與控制系統。可以預見，該技術將隨著高新技術的迅猛發展而發揮愈來愈重要的作用。
（4）金屬材料熔點高，粘性和表面張力大，部分金屬還具有較強的腐蝕性，以往成熟的非金屬材料噴射裝置及控制方法很難直接用于金屬材料的噴射和打印成型，需開發新型耐高溫、耐腐蝕的噴射裝置。
（5）在金屬微滴噴射沉積過程中，金屬微滴鋪展、凝固等受到微滴飛行速度、微滴溫度、基板溫度等多因素的耦合作用，需從實驗和理論兩方面研究各參數對微滴熔合狀態、內部微觀組織演變規律等的影響，以保證成型件的外部形貌、內部質量及力學性能。此外，雜質過濾、成型過程監控等也是需要解決的關鍵技術。
(責任編輯：admin)
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