基于微噴射粘結(jié)的3dp技術(shù)及其應(yīng)用

基于微噴射粘結(jié)的3dp技術(shù)及其應(yīng)用

自20世紀(jì)80年代末以來，基于分層制造理念的快速成像（ep）技術(shù)已出現(xiàn)。自20世紀(jì)80年代末以來，零件或部件的直接、快速、準(zhǔn)確制造已成為加工行業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展方向之一。隨著粉末材料制造技術(shù)的發(fā)展，許多粉末材料被制成，成本也逐漸降低。使用粉末材料直接形成零件或模型已成為研究的重點(diǎn)。目前,用于粉末材料快速成形的主要工藝有基于激光技術(shù)的選擇性激光燒結(jié)(SLS)和基于微噴射粘結(jié)技術(shù)的三維打印(3DP)。這2種工藝都無需專用夾具、工具或模具,可將虛擬的三維模型快速轉(zhuǎn)變?yōu)槿S實(shí)體,與傳統(tǒng)的粉末冶金技術(shù)相比,具有設(shè)計(jì)制造一體化、成形過程高度柔性化和快速化、勞動(dòng)強(qiáng)度低、操作簡便等優(yōu)勢。而3DP技術(shù)用噴頭代替激光器,它與當(dāng)前應(yīng)用較廣泛的SLS技術(shù)相比,設(shè)備投資小、運(yùn)行成本低、壽命長、維護(hù)簡單、環(huán)境適應(yīng)性好。因此,3DP技術(shù)在新產(chǎn)品的開發(fā)和小批量生產(chǎn)以及快速鑄造等方面具有更好的發(fā)展前景。三微噴射粘結(jié)的3dp成形工藝在其他領(lǐng)域的應(yīng)用基于微噴射的三維打印快速成形技術(shù),集CAD/CAM、數(shù)據(jù)處理、材料科學(xué)、微滴噴射和數(shù)控等多種技術(shù)于一體,是當(dāng)前較成熟的快速成形技術(shù)之一。目前,3DP技術(shù)按噴射材料可分為光固化材料3DP、粘結(jié)材料3DP、熔融材料3DP。光固化材料3DP由于本身的成形特性,通過噴射光固化材料后利用紫外燈進(jìn)行固化,采用這種技術(shù)成形的制件精度很高,但它成形金屬或陶瓷零件的難度較大;熔融材料3DP是通過直接噴射熔融的成形材料,不僅對成形設(shè)備及噴頭的要求高,而且難以選擇支撐材料;粘結(jié)材料3DP工藝在材料的適應(yīng)性和工藝的操作性等方面要優(yōu)于以上2種成形工藝。基于微噴射粘結(jié)的3DP工藝的成形原理為:將制件的CAD三維模型根據(jù)工藝要求進(jìn)行離散分層得到一系列的層片,按照這些層片的輪廓信息,鋪粉裝置逐層鋪粉,且噴頭噴射粘結(jié)劑微滴選擇性地固化一層一層的粉末,形成各截面輪廓,并逐步有序地疊加成三維實(shí)體。因此,3DP技術(shù)能充分發(fā)揮其高度柔性化的特點(diǎn),可成形任意復(fù)雜形狀的制件。但3DP工藝通過粉末的粘連而堆積成形,成形的制件具有疏松多孔的結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)會(huì)使制件的強(qiáng)度偏低,成形的制件需采用后處理強(qiáng)化工藝使組織致密化以提高其強(qiáng)度,且后處理工藝(如高溫?zé)Y(jié)、熱等靜壓)會(huì)使制件體積嚴(yán)重收縮。因此,采用合適的后處理強(qiáng)化工藝使三維打印成形的零件或模具致密化而不發(fā)生明顯的體積收縮是現(xiàn)階段研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。近年來,3DP技術(shù)的研究與開發(fā)取得了較大的進(jìn)展,其整體水平有較大提高,如高分子聚合物、金屬、陶瓷、覆膜砂、生物活性材料等粉末材料及其中2種或2種以上的復(fù)合粉末都可成為3DP工藝的成形材料;通過控制成形粉末的成分和粒徑分布,可實(shí)現(xiàn)對制件微結(jié)構(gòu)和成分的設(shè)計(jì);調(diào)節(jié)成形過程的工藝參數(shù)(分層厚度、粘結(jié)劑飽和度等),可改變制件的致密度和濕強(qiáng)度;通過適當(dāng)?shù)念A(yù)燒結(jié)溫度,可使制件燒結(jié)后強(qiáng)度得到大幅度提升的同時(shí)制件形狀不發(fā)生改變。隨著該成形工藝的不斷完善,其應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大,該技術(shù)的研究與應(yīng)用在原型制造、模具制造、零件直接成形、微機(jī)電制造、組織工程、制藥工程等領(lǐng)域都有所涉及。3DP技術(shù)在國外的家電、汽車、航空航天、船舶、工業(yè)設(shè)計(jì)、醫(yī)療等領(lǐng)域已得到了較為廣泛的應(yīng)用。但國內(nèi)關(guān)于金屬、陶瓷、型砂等粉末材料3DP成形工藝的研究較少。下面就針對基于微噴射粘結(jié)的三維打印技術(shù)在金屬、陶瓷、型砂等粉末材料中的研究狀況進(jìn)行評(píng)述,探討其當(dāng)前存在的主要問題及其解決方案。粘結(jié)劑為內(nèi)壓的金屬粉末3dp成形工藝的研究金屬材料是目前用量最大使用最廣的材料,隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展,業(yè)界對金屬結(jié)構(gòu)零部件的成形工藝也提出了更加嚴(yán)格的要求,要求成形工藝具有低成本、高度柔性化、自動(dòng)化、快速化、數(shù)字化等特點(diǎn),由于傳統(tǒng)成形工藝的局限性,三維打印成形技術(shù)因能很好地適合以上工藝要求而得到迅速發(fā)展。目前,金屬粉末三維打印成形的研究主要集中在成形工藝參數(shù)控制與優(yōu)化、制件后處理強(qiáng)化工藝改進(jìn)等方面,其目的是解決制件的精度和強(qiáng)度偏低問題。最新的研究結(jié)果表明,制件的精度除了受粉末粒徑、數(shù)據(jù)處理誤差、裝置定位誤差和控制誤差等因素的影響外,粘結(jié)劑的飽和度也是影響精度的主要因素。圖1所示為TiNiHf形狀記憶合金粉末在粘結(jié)劑飽和度不同(分別為55%、110%、170%)的條件下制備的寬度為300μm的線條試樣。由圖可知,圖1(b)的外形最完整,且尺寸誤差也最小。從圖1中還可發(fā)現(xiàn),3個(gè)試樣的邊緣都有不同程度的“結(jié)瘤”和“粘渣”現(xiàn)象,這是由于粘結(jié)劑從輪廓邊界溢出而粘結(jié)非截面輪廓區(qū)域的粉末形成的。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生對制件表面粗糙度和尺寸偏差都有很大的影響,所以,消除“結(jié)瘤”和“粘渣”現(xiàn)象的發(fā)生可有效提高制件精度,而控制粘結(jié)劑的飽和度并不是減少或消除這種現(xiàn)象的有效方法。有報(bào)道提出,采用精細(xì)激光束和慢速掃描對輪廓邊緣進(jìn)行燒結(jié)可大幅度提高SLS工藝的精度,有研究人員在3DP工藝中采用類似的方法來達(dá)到提高精度的目的,即在噴頭掃描輪廓邊緣時(shí),減小噴嘴直徑并降低掃描速度,但這種方法對精度的提升效果并不明顯,這主要是由于3DP工藝中噴射的粘結(jié)劑微滴在粉末中有一個(gè)固化過程,噴射在輪廓邊緣的粘結(jié)劑微滴在沒有固化前會(huì)向周圍產(chǎn)生不規(guī)則擴(kuò)散,這個(gè)擴(kuò)散過程會(huì)增大粘結(jié)劑微滴的粘結(jié)范圍,從而使實(shí)際粘結(jié)范圍與理論粘結(jié)范圍產(chǎn)生偏差,影響制件精度。因此,要解決3DP工藝成形制件的精度問題還需深入研究粘結(jié)劑微滴大小、噴射方向、噴射速度和粘結(jié)劑固化速度等因素對粘結(jié)范圍的影響規(guī)律。金屬粉末3DP成形的制件通常采用的致密化處理工藝主要是高溫?zé)Y(jié)和熱等靜壓,基于浸滲處理工藝的研究也有報(bào)道,如Dimitrov等人采用三維打印技術(shù)制備了不銹鋼坯件,將坯件經(jīng)燒結(jié)和滲銅處理,最終獲得了由60%不銹鋼和40%青銅構(gòu)成的零件。制件經(jīng)致密化處理后,其致密度可達(dá)98%,甚至可完全致密化。但經(jīng)致密化處理后的制件線收縮率很大,使制件的最終尺寸產(chǎn)生較大偏差,難以得到近凈產(chǎn)品,這是阻礙金屬零件3DP快速制造工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵所在。因此,要實(shí)現(xiàn)金屬零件的3DP快速精確成形,必須解決制件燒結(jié)或熱等靜壓時(shí)的線收縮難題。有研究嘗試通過向粘結(jié)劑溶液中加入納米銀顆粒,配制成流動(dòng)性良好的可噴射的懸浮納米銀粘結(jié)劑溶液,采用3DP工藝分別噴射含納米銀的粘結(jié)劑溶液和普通粘結(jié)劑溶液粘結(jié)金屬銀粉末成形長度為50mm的零件,兩種粘結(jié)劑成形的零件經(jīng)燒結(jié)后發(fā)現(xiàn),含納米銀的粘結(jié)劑溶液粘結(jié)成形的零件的長度為35mm,普通粘結(jié)劑成形的零件的長度為32mm(如圖2所示),含納米銀的零件經(jīng)燒結(jié)后工藝發(fā)展現(xiàn)狀新型陶瓷結(jié)構(gòu)材料由于具有高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)異性能而被廣泛使用,但是其本身硬而脆的特性使其普通加工成形異常困難。3DP工藝的出現(xiàn)為陶瓷和陶瓷基材料的直接快速成形成為可能,相關(guān)的研究報(bào)道也較多。如Moon對陶瓷粉末材料三維打印粘接成形的過程進(jìn)行了研究,他發(fā)現(xiàn)除了粘結(jié)劑溶液的粘度和表面張力外,成形粉末的表面粗糙度和孔隙尺寸對粘結(jié)滲透動(dòng)力學(xué)也有顯著的影響。Grau等采用三維打印技術(shù)制備了用于漿料澆注的Al2O3陶瓷模具,該模具與傳統(tǒng)的石膏模具相比,具有強(qiáng)度高、干燥時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。Scosta等采用3DP工藝對覆膜Ti3SiC2陶瓷粉末的線收縮率有較明顯的減小。這種方法對減小制件燒結(jié)后的收縮率做出了初步探索,雖然收縮率的降低幅度不大,但這種方法為減小制件燒結(jié)后的線收縮率的研究提供了思路,因此,提高成形坯件的致密度是減小制件燒結(jié)后的線收縮率的最佳途徑。進(jìn)行預(yù)成形,通過冷等靜壓工藝提高其致密度,經(jīng)燒結(jié)后制件的致密度從50%~60%提高到99%。目前陶瓷粉末3DP直接成形工藝研究的重點(diǎn)主要集中在陶瓷坯件的致密化處理、制件性能測試和分析等方面,尤其是陶瓷坯件經(jīng)燒結(jié)后進(jìn)行浸滲處理間接制備陶瓷基復(fù)合材料已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。Melcher等采用3DP工藝間接獲得Al2O3/Cu合金復(fù)合材料坩堝制品(如圖3(c)所示)。首先通過三維打印技術(shù)獲得Al2O3陶瓷預(yù)成形坩堝坯件(如圖3(a)所示),然后將坩堝坯件進(jìn)行燒結(jié)處理,再將燒結(jié)后的坩堝(如圖3(b)所示)在無壓條件下滲銅合金,獲得所需的坩堝制品。最后將坩堝底部的板料用于力學(xué)性能測試,并對斷裂韌性進(jìn)行了分析,結(jié)果表明裂紋橋接和裂紋偏轉(zhuǎn)是主要的增韌機(jī)理。WeiZhang等也采用類似的工藝路線制備了Al2O3/玻璃復(fù)合材料,對復(fù)合材料的組織和軸向(x軸、y軸、z軸方向)性能進(jìn)行了觀察和測試,研究了分層厚度與復(fù)合材料組織和性能之間的關(guān)系,最小的分層厚度可獲得最致密的材料和較好的力學(xué)性能,材料的y軸方向的力學(xué)性能優(yōu)于另外2個(gè)方向。采用3DP工藝間接成形陶瓷基復(fù)合材料制件的報(bào)道都是基于簡單形狀制品的成形和浸滲,而成功獲得具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和內(nèi)腔表面的復(fù)合材料制件的研究卻未見有報(bào)道。這主要是由于浸滲材料難以從成形件的表面剝離,且成形件的薄壁結(jié)構(gòu)在剝離過程中容易變形甚至損毀。另外,由于陶瓷材料的熔點(diǎn)很高,3DP工藝成形的陶瓷制件若經(jīng)高溫?zé)Y(jié)達(dá)到完全致密化所需的時(shí)間較長,對燒結(jié)爐的性能要求會(huì)很高,而且延長了制造周期,不利于實(shí)際應(yīng)用的理論指導(dǎo)。因此,開發(fā)簡單經(jīng)濟(jì)的后處理致密化工藝是當(dāng)前研究陶瓷粉末3DP快速成形工藝的重要課題。鑄造工藝及設(shè)備目前鑄造技術(shù)及設(shè)備的柔性相對較差,通常需要采用多種工藝流程,使用多種裝置、工具、模具和夾具,需要一個(gè)較長的周期來制造鑄型或零件原型。鑄件的結(jié)構(gòu)和尺寸的改變將會(huì)直接影響鑄型的設(shè)計(jì)、制造、裝配等長而復(fù)雜的工藝過程。隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展和市場需求的個(gè)性化和多樣化,鑄造企業(yè)必須掌握靈活性強(qiáng)、市場響應(yīng)速度快、可小批量生產(chǎn)而不明顯增加產(chǎn)品成本的砂型近凈成形技術(shù)。因此,3DP快速成形工藝在鑄造領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。美國ZCorp公司的ZCast工藝采用了一種由鑄造砂、塑料和其他添加物組成的混合粉末材料直接成形鑄型和型芯,并直接用于有色金屬零件的鑄造。ExOne公司的ProMetalRCT技術(shù)是一種專門制作鑄造砂型的3DP技術(shù),成形材料為樹脂砂,成形件(鑄型)不需要進(jìn)行特別的后處理工序,進(jìn)行清掃后就可以用于鑄造生產(chǎn)。該公司的ProMetalS15成形機(jī)可成形1500mm×750mm×700mm的鑄型,速度為75s/層。而采用ProMetalRCT工藝則可以在一次成形中制作出4個(gè)完整的鑄型和型芯,而所花費(fèi)的時(shí)間僅約48h。此外,Soligen公司推出的直接制模鑄造(DSPC)也是源于3DP,使用該公司研發(fā)的設(shè)備可以直接用于精鑄工藝陶瓷模型的制造。北京殷華激光快速成形與模具技術(shù)有限公司和佛山峰華自動(dòng)成形裝備有限公司聯(lián)合研制PCM鑄型成形設(shè)備,其成形原理也是基于微滴噴射粘結(jié)的分層制造思想。圖4是采用PCM設(shè)備制造的CBF250B真空泵葉輪鑄型。采用3DP工藝制造的鑄造砂型經(jīng)低溫烘焙干燥處理工藝便可直接進(jìn)行澆注。但在低溫烘焙過程中,由于加熱爐對鑄型加熱不均勻,部分粘結(jié)劑受熱揮發(fā),使鑄型局部的粘結(jié)強(qiáng)度下降,另外,依然留存在鑄型中的粘結(jié)劑填充了型砂之間的孔隙,使鑄型的透氣性降低、鑄型的發(fā)氣量增大。鑄型進(jìn)行澆注充型后,鑄件容易產(chǎn)生粘砂和氣孔等缺陷。針對這些問題,研究人員開發(fā)出低發(fā)氣量的粘結(jié)劑材料,并通過優(yōu)化噴射掃描路徑降低粘結(jié)劑用量等措施提高鑄型性能,鑄件的缺陷明顯減少。目前鑄型的3DP成形工藝及其設(shè)備在我國鑄造領(lǐng)域并未得到大范圍應(yīng)用和推廣,其主要原因是3DP成形的鑄型低溫烘焙時(shí)間長且難以掌握,這不僅延長了鑄型的制造周期而且使烘焙后的鑄型強(qiáng)度不均勻。本課題組正在開展基于水玻璃砂和樹脂砂的3DP快速鑄造工藝、材料及裝備研究。在現(xiàn)有微波加熱硬化水玻璃砂型鑄造工藝研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合3DP快速成形技術(shù),實(shí)現(xiàn)水玻璃砂型的直接快速成形。與普通外熱源加熱方式不同,微波加熱是通過材料內(nèi)部本身發(fā)熱而引起體積加熱,內(nèi)外同時(shí)加熱可使鑄型受熱均勻,且鑄型烘干速度比普通加熱方法快很多。但微波加熱鑄型時(shí),鑄型不能用金屬模和木模,金屬會(huì)反射微波,而木模在微波作用下會(huì)脫水變形。而鑄型的3DP成形是無模化成形,采用微波加熱3DP成形的鑄型時(shí)無需考慮模具材料問題。因此,鑄造砂型3DP成形與微波加熱后處理相結(jié)合,既解決了微波加熱的模具材料問題,又大大縮短了鑄型的烘焙時(shí)間,具有很好的應(yīng)用前景。dp成形技術(shù)的應(yīng)用展望從目前3DP技術(shù)的研究現(xiàn)狀