金屬粉末3D 打印工藝實驗研究＊

曾齊高，羅 飛，李積彬

1.深圳市龍崗職業(yè)技術(shù)學(xué)校（廣東深圳 518172）

2.深圳技師學(xué)院（廣東深圳 518040）

3.深圳市模具先進(jìn)制造技術(shù)重點實驗室（廣東深圳 518060）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，多品種、小批量、精密和復(fù)雜幾何形狀的工業(yè)產(chǎn)品需求日益加大，減少新產(chǎn)品上市時間和小批量柔性制造已成為提高工業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品競爭的關(guān)鍵。快速成型（也稱快速原型）制造技術(shù)，即3D 打印技術(shù)（3D printing）是借助計算機、激光、精密傳動和數(shù)控等現(xiàn)代手段，將計算機輔助設(shè)計（CAD）和計算機輔助制造（CAM）集成于一體，直接制造產(chǎn)品樣品，無需傳統(tǒng)的機械加工機床和模具[1]。

常見3D 打印技術(shù)包括SLM 技術(shù)、SLS 技術(shù)、EBM技術(shù)等[2]。李積彬教授等提出了粉末冶金快速成型敏捷制造[3]，用金屬粉末材料制造產(chǎn)品樣品零件，從而降低成型機成本，提高零件機械性能。

2 金屬粉末3D打印工藝

根據(jù)粉末冶金快速成型敏捷制造概念，金屬粉末擠出堆積快速成型技術(shù)（金屬3D 打印技術(shù)）如圖1 所示，與現(xiàn)有的成型技術(shù)相比，該技術(shù)具有無需模具、無需大功率激光器和成型材料范圍廣，如不局限于塑料，可適用于熔點較高的金屬粉末和陶瓷粉末等。

圖1 金屬粉末擠出堆積快速成型學(xué)科交叉示意圖

金屬3D打印技術(shù)是塑料擠出快速成型和金屬粉末注射成型技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。如圖2所示，其工藝流程主要步驟包括：

（1）零件的設(shè)計，確定零件三維形狀、材料、功能和性能的要求。

（2）零件三維CAD 模型的數(shù)據(jù)處理，生成快速成型控制系統(tǒng)能識別的TXT數(shù)據(jù)文件。

（3）金屬粉末和粘結(jié)劑的選擇，根據(jù)零件的功能、性能要求選擇合適的金屬粉末和熱塑性粘結(jié)劑。

（4）金屬粉末和粘結(jié)劑的混合和混煉，將金屬粉末和粘結(jié)劑混煉成均勻的喂料。

（5）喂料的擠出堆積快速成型，將喂料制粒后通過單螺桿擠出裝置，經(jīng)噴嘴擠出熔融狀絲材，快速成型控制系統(tǒng)控制其成型軌跡，使得熔融狀絲材在三維快速成型平臺上堆積成型，成為“生坯”。

（6）“生坯”的脫脂、燒結(jié)，將“生坯”零件修整后，進(jìn)行脫脂、燒結(jié)，使其致密度達(dá)到所需零件要求。

（7）成型零件進(jìn)行后處理，可根據(jù)零件的工藝要求進(jìn)行后續(xù)加工，成型零件完成。

圖2 金屬3D打印技術(shù)工藝流程圖

3 金屬粉末3D打印工藝裝備

文中使用的金屬3D 打印裝備自主研發(fā)，包括三維快速成型平臺、單螺桿擠出裝置和裝備機架3部分組成，如圖3所示。

金屬3D 打印軟件是基于Visual C++平臺環(huán)境開發(fā)的[5]，控制系統(tǒng)采用ADT-8940A1運動控制卡，如圖4所示，成型開始之前需要對控制卡初始化，電機上伺服，然后設(shè)定成型參數(shù)，包括成型溫度、擠出速度、成型平臺運動速度、加速度等，讀取切片軟件處理完成的數(shù)據(jù)文件，然后進(jìn)行金屬3D 打印快速成型。軟件界面如圖5所示。

圖3 金屬粉末3D打印工藝裝備

圖4 程序設(shè)計流程圖

圖5 金屬3D打印軟件界面

4 金屬粉末3D打印成型工藝實驗

實驗設(shè)計（Design of Experiment，DOE），是指以概率論、數(shù)理統(tǒng)計和線性代數(shù)為理論基礎(chǔ)，為獲得可靠實驗結(jié)果和有力信息，科學(xué)安排實驗的一種方法論。亦是研究如何高效而經(jīng)濟(jì)地獲取所需要的數(shù)據(jù)與信息以及對這些數(shù)據(jù)和信息分析處理的方法。這種方法的主要優(yōu)點是：能夠在眾多的實驗條件中選出代表性較強的少數(shù)實驗條件，通過較少次數(shù)的實驗，找出較好的生產(chǎn)條件，它不僅效率較高，應(yīng)用成本較低，而且使用非常方便。

正交實驗設(shè)計作為實驗設(shè)計中的一種，是研究多因素多水平的又一種設(shè)計方法，它是根據(jù)正交性從全面實驗中挑選出部分有代表性的點進(jìn)行實驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散、齊整可比”的特點，是實驗設(shè)計中應(yīng)用最廣泛的方法。

完成金屬3D 打印工藝裝備設(shè)計和樣機搭建后，開展成型工藝實驗驗證金屬3D打印成型工藝的可行性以及合理性，通過正交實驗法，找出該工藝的最佳參數(shù)組合。成型材料為純銅粉與添加劑經(jīng)混煉所制得的喂料。

影響該工藝的主要因素有螺桿轉(zhuǎn)速、成型插補速度、擠出噴嘴的直徑、層高度以及成型溫度。文中采用五因素四水平正交實驗，因素水平表如表1所示，成型工藝實驗L16（45）型正交實驗表以及實驗結(jié)果如表2所示。

表1 因素水平表

表2 正交實驗表

影響該工藝各因素的最優(yōu)選擇與實驗指標(biāo)——成型樣件的變形程度有關(guān)，即變形程度越小，說明成型質(zhì)量越好。文中以成型樣件的變形程度來衡量實驗效果，即正交實驗的指標(biāo)，其計算公式如下：

式中 δ——成型樣件變形程度

d1——成型樣件理論尺寸

d2——成型樣件實際尺寸

根據(jù)表2 實驗結(jié)果可知，各成型參數(shù)對成型工藝的影響程度不盡相同，有主次之分，用極差分析法來分析確定各因素的主次順序，如表3所示。

表3 影響成型工藝的參數(shù)的極差分析表

表中Ki（i=1，2，3，4）表示任一列水平號為i時所對應(yīng)的實驗結(jié)果之和。例如，C因素（插補速度）所在的第三列上，第1，6，11，16 號實驗中取C1水平，則K1為第1，6，11，16 號實驗結(jié)果之和，即K1=12.48%。表中R 表示各因素的極差，在任一列上R=max{K1，K2，K3，K4}-min{K1，K2，K3，K4}。

由表3可知，各列的極差RA、RB、RC、RD和RE之間的關(guān)系為：RA＞RC＞RB＞RE＞RD。所以影響成型工藝的各因素從主到次的順序為：螺桿轉(zhuǎn)速、插補速度、噴嘴直徑、成型溫度、層高度。即螺桿轉(zhuǎn)速的變化對該工藝的影響最大，插補速度次之，而堆積的層高度對成型樣件的變形程度影響最小。

通過上述的正交實驗設(shè)計，利用極差分析法，螺桿轉(zhuǎn)速、插補速度、噴嘴直徑、成型溫度和層高度等各因素對成型樣件變形程度的影響趨勢不盡相同，其具體的趨勢如圖6所示。

由圖6 可知，螺桿轉(zhuǎn)速（因素A）為第三水平時成型樣件變形程度δ最小，噴嘴直徑（因素B）取第三水平時指標(biāo)δ最小，同理插補速度（因素C）、層高度（因素D）、成型溫度（因素E）分別是第四、二、三水平時指標(biāo)δ最小，考察成型樣件變形程度δ時其最佳工藝參數(shù)組合為A3B3C4D2E3，即螺桿轉(zhuǎn)速為2.4轉(zhuǎn)/min，噴嘴直徑為φ0.3mm，插補速度為40mm/s，層高度為0.3mm，成型溫度為90℃時成型樣件的變形程度最小。

上述最佳組合參數(shù)未在正交實驗表中，所以需做驗證實驗。即在螺桿轉(zhuǎn)速、噴嘴直徑、插補速度、層高度和成型溫度取最佳組合時做一組實驗來驗證該正交實驗的設(shè)計以及分析的正確性，如圖7 所示，即為最佳工藝參數(shù)組合下的金屬銅粉3D 打印成型樣件。

圖6 因素指標(biāo)趨勢圖

圖7 最佳組合參數(shù)的成型樣件

由表4可知，該樣件的變形程度為1.98%，一方面驗證了該正交實驗所分析出來的最佳工藝參數(shù)組合是正確的；另一方面驗證了裝備可運用于金屬粉末擠出堆積快速成型。

表4 成型樣件測量尺寸

5 結(jié)論

金屬粉末3D打印成型工藝是集金屬粉末注射成型技術(shù)和快速成型技術(shù)優(yōu)點而提出的一項新工藝。本文闡述了成型工藝實驗研究，驗證了金屬3D 打印成型工藝的正確性以及合理性。使用正交實驗設(shè)計方法，對成型工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得出最佳的工藝參數(shù)組合，即螺桿轉(zhuǎn)速為2.4 轉(zhuǎn)/min，噴嘴直徑為φ0.3mm，插補速度為40mm/s，層高度為0.3mm，成型溫度為90℃時成型樣件的變形程度最小。