【解析】熔融堆积3D打印成形金属件层间结合研究

熔融堆积3D打印是一种全新的金属件快速制造工艺，该技术原理是：首先采用高频感应加热的方式使送入喷头的金属丝材 快速熔化，然后使熔融金属材料薄薄的（0.1~2）mm/层逐层堆积，从而将计算机中预先设计出的三维立体图形快速、精确地复制出 零件实体。 由于采用感应加热的方式，因此相比现有成熟金属材料3D 打印成形技术，如激光选区烧结（SLS）、选区激光熔化（SLM）、激光近净成形 （LENS）和电子束选区熔化 （ EBSM）等，熔融堆积3D打印在设备及运行成本方面具有明显优势。

目前，国内外针对金属件3D打印过程温度场做了大量研究工作。金属件熔融堆积3D打印是一个从液态金属逐渐转变为固态的热过程，热量的输入和传播贯穿整个成形过程，且热作用过程决定了成形件的层间结合及应力、 应变场的分布等。因此，对成形过程温度场分布及变化规律进行研究具有重要的意义。采用自行搭建的试验平台，进行铋锡低熔点合金（成分为铋58%、锡42%，熔点为138℃）的熔融堆积3D打印成形。 通过数值模拟和工艺试验相结合的方法，重点研究了熔融金属温度（T1）、基板温度（T2）及堆积速度（v）等工艺参数对成形过程温度变化及最终成形件层间结合的影响。

2有限元模拟模型的建立
2.1数学模型
熔融堆积3D打印成形过程中，成形系统内温度场及其他热参数随时间不断变化，因此温度场的有限元模拟属于非线性瞬态热分析问题，需采用如下热传导微分方程来描述：

模拟过程中熔融金属及成形基板的实际温度值均采用热电偶进行测量。 成形金属实体与周围空气接触表面为自然对流换热，可表示为：

金属材料在被快速熔化，然后打印固化成形的过程中，经历一个复杂的相变过程，需要吸收或释放大量热量，因此对金属件熔融堆积3D打印成形过程温度场进行模拟，相变潜热是不可忽略的因素之一。ANSYS通过定义材料焓值随温度的变化来考虑相变潜热，如式（3）所示

2.2物理模型

研究所建立数值模拟物理模型，如图1所示。模型下部分为成形基板，尺寸为（200×200×10）mm，材料为Q345低合金钢；基板上方为成形金属件，尺寸为（80×32×20）mm。采用ANSYS中的Solid70热单元进行网格划分，该单元有8个节点且每个节点上只有一个温度自由度，该单元可用于三维静态或瞬态的热分析，能实现三个方向匀速热流的传递。根据实际沉积单层厚度2mm，将成形件划分为（2×2×2）mm的单元，共计10层，6400个单元。基板则采用较大的单元网格进行划分，这样可以节省分析时间。模拟过程中，成形环境温度设定为20℃。
成形件成形基板ＡＢ

图1熔融堆积3D打印有限元分析物理模型

3成形件温度分布模拟结果及分析
在不影响成形件性能的条件下，适当增加堆积速度能有效提高成形效率。 本研究在设定熔融金属温度T1=160℃及基板温度T2=90℃的条件下，分别对不同堆积速度（v）条件下铋锡合金打印成形过程温度变化进行模拟。 设定堆积速度v=4mm/s和v=16mm/s，当成形件上最后一个单元被激活（即时间t分别为3200s和800s）时，成形件温度分布情况，如图2（a）、图2（b）所示。

（a）v=4mm/s

（b）v=16mm/s。

图2不同堆积速度下成形件温度分布

由图2可以看出：
（1）由于金属件熔融堆积3D打印技术的成形特点，即各单元激活时间不同步，使得成形件上温度分布极不均匀，被激活单元及其附近区域温度较高，远离被激活单元区域温度则较低；
（2）温度场在被激活单元后面形成拖尾，且堆积速度越快，拖尾越是明显；
（3）当堆积速度增加时，成形件的整体温度升高，同时高温热影响区变大，这同样有利于增强成形件层间结合性能，提高成形件质量。

4工艺试验及分析
采用自行搭建的熔融堆积3D打印成形试验平台进行工艺实验，其最大成形尺寸为（100×100×80）mm，最高堆积成形速度为20mm/s。首先通过工艺试验研究了不同熔融金属温度（T1）、基板温度（T2）及堆积速度（v）条件下所成形铋锡合金实体的层间结合情况。

4.1温度对层间结合影响试验研究
在不同熔融金属温度（T1）及基板温度（T2）条件下进行6层铋锡合金实体的打印成形试验，如图3所示。试验过程堆积速度设定为v=8mm/s，并按照6个标准对成形件层间结合情况进行对比评分。其中，
1代表层间有明显分离；
2代表层间无分离，但层间结合面较明显；
3代表层间结合面局部融合；
4代表层间无明显结合面；
5代表层间近乎完全融合；
6代表层间完全融合成一体。

图3熔融堆积3D打印成形6层铋锡合金实体

评分结果，如图4所示。从图4可以看出：随着熔融金属温度及基板温度的升高，成形件的层间结合逐渐变好。在试验过程中发现当熔融金属及基板温度过高时，会导致成形件局部或整体塌陷，使成形失败。试验条件下得到的最优温度参数为熔融金属温度T1=160℃、基板温度T2=90℃。

图4不同温度参数条件下成形实体层间结合情况

4.2堆积速度对层间结合影响试验研究
这里设定熔融金属温度及基板温度分别为T1=160℃和T2=90℃，在不同堆积速度v=4mm/s和v=16mm/s条件下进行了6层铋锡合金实体的成形试验，并采用WDW-10型微机控制电子式万能试验机对试样的拉伸性能进行检测，检测结果，如表1所示。其中1#代表堆积速度v=4mm/s下所得试样，2#代表堆积速度v=16mm/s下所得试样，3#代表普通挤压铸造所得试样。
表１拉伸性能测试结果

由表1中试样拉伸性能测试结果可以看出：（1）提高堆积速度可以增强成形实体的拉伸性能，相比v=4mm/s下所得试样，在v=16mm/s下所得试样的抗拉强度提高10.9％，屈服强度提高9.8％，断后伸长率提高12.4％；（2）一定参数条件下所打印成形锡铋合金件与普通挤压铸造成形件的拉伸性能相当。

采用JSM-6510型扫描电子显微镜对所拉伸试样层间结合
情况进行观察的结果，如图4所示。由图4（a）可见，v=4mm/s条件下所成形实体存在明显的层间未融合现象，且局部区域存在层间缝隙，而图4（b）所示v=16mm/s条件下所成形实体的层间结合较为致密，未见明显分层。可见随着堆积速度的增加，成形实体的层间结合性能有明显的提高。

图4不同堆积速度下成形实体层间结合情况低倍SEM照片

5结论
（1）随着堆积速度的增加，金属实体的温度不断升高，高温热影响区增大，有利于增强成形件层间结合性能，提高成形件质量。
（2）成形实体的层间结合情况随温度参数的升高而逐渐变好，但过高的熔融金属及基板温度会导致成形实体的局部甚至整体塌陷，本研究试验条件下得最优温度参数为熔融金属温度160℃、基板温度90℃。
（3）相比较小堆积速度，在较大堆积速度条件下所成形金属实体的拉伸性能及层间结合均有明显提高。本研究在最优堆积速度v=16mm/s条件下，可得到层间结合良好的金属实体，其抗拉强度、屈服强度、断后伸长率较v=4mm/s所得试样分别提高了10.9％、9.8％和12.4％

编辑：南极熊
作者：单忠德，杨立宁，戎文娟，刘丰 （机械科学研究总院先进成形技术与装备国家重点实验室）