金屬3D打印技術在海洋零部件的應用研究

尚宏坤，崔西亮，劉文鋒，畢顯斌，張孟，徐洪軍

(青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋高端儀器設備研發平臺，山東 青島 266235)

0 引言

海洋環境是一種復雜的腐蝕環境，所以海洋儀器設備關鍵零部件對耐腐蝕的要求很高[1]。目前海洋領域應用最多的防腐金屬材料為316L不銹鋼、硬質氧化后的鋁合金、鈦合金等。海洋領域儀器設備的關鍵零部件以多品種小批量為最突出特點，其中通過普通機加工減材制造無法完成的高可靠性異構件也不在少數。適合海洋環境下耐腐蝕特點的金屬3D打印技術在海洋艦船、海洋儀器設備及深海潛航器等的關鍵零部件上的應用頗具優勢與前景[2]。

目前航天領域3D打印研究及應用案例較多，如航天529廠已實現3D打印產品多工藝、多結構在軌應用；航天一院發射的“千乘一號”衛星整星結構采用輕量化三維點陣結構，設計及制備周期縮短至1個月；上海交通大學、中國航發商用航空發動機有限責任公司、沈陽鑄造研究所有限公司等也在3D打印工藝方面取得了一系列成果[3-4]。但海洋領域3D打印應用較少，研究金屬3D打印成形工藝，建立金屬3D打印技術的核心工藝數據庫，將極大地降低產品的研發成本，縮短研發周期，提高產品質量與性能，增強工藝實現能力，使金屬3D打印更好地服務、支撐于海洋儀器設備關鍵零部件的研發與應用，形成海洋領域新型制造體系。

1 技術及設備基礎

金屬增材制造(additive manufacturing, AM)，也稱金屬3D打印，作為戰略性新興產業，受到世界各國高度重視及積極推廣。該方法是依據分層制造、逐層疊加的原理，通過高能束熱源(激光、電子束)熔敷金屬粉末，直接從三維CAD 模型制備零件的一種方法[4]。

目前青島海洋科學與技術試點國家實驗室已在海洋領域開展海洋儀器設備關鍵零部件的3D打印研究，已具有金屬、非金屬3D打印設備各1臺。其中金屬3D打印設備為德國EOS-M290，該設備采用的工藝類型為選擇性激光熔化(SLM)，目前可進行不銹鋼、鋁合金、鈦合金等海洋常用金屬材料的關鍵零部件打印。

SLM 技術是近些年快速發展起來的一種新型金屬增材制造技術，主要成形材料為金屬粉末，基于離散-堆積原理，控制高能激光束逐層熔化、凝固金屬粉末，可快速直接成形出高性能金屬復雜結構件[5]。

2 45°倒角打印成形效果對比

內應力控制及變形開裂成為長期制約大型金屬構件激光增材制造技術發展的瓶頸難題[6]。45°倒角直接打印成形需考慮兩個因素：重力因素、打印過程中模型不同部位能量密度因素。

當模型的某個面與垂直線的角度>45°角且懸空時，材料會在凝固之前墜落，這就是3D打印中的45°角原則。因SLM選擇性激光熔化的原理是將金屬粉末高溫熔化，一層一層地堆積直至模型最終成形?？紤]到重力因素，打印過程中模型的某個面與垂直線的角度>45°并懸空時，雖然材料經過熔化會有一定的黏附性，但材料也有可能在沒有完全固化之前就發生墜落從而導致打印失敗。

模型每層打印過程中，打印輪廓(Contour)和內部填充線(Hatch)的能量密度計算公式分別為：

打印輪廓的能量密度：

(1)

內部填充線的能量密度:

(2)

式中：S為速度，mm/s；Lp為激光功率，W；Lt為層厚，mm；H為激光填充線距離，mm。

可得出打印模型輪廓時(除部分下方輪廓外)的能量密度會略大于打印內部填充線的能量密度。海洋儀器設備零部件中，45°倒角基本都處于每層打印的輪廓處，能量密度略高，因此發生翹曲變形從而導致打印失敗的概率大。

以某海洋儀器設備中渦輪為打印模型，該模型尺寸為R8×6.5mm，含有2個45°倒角，可較好地試驗45°倒角直接打印對零件成形效果的影響。根據在海水中防腐蝕要求，材料選用316L不銹鋼粉末，此粉末粒徑為15～53μm，使用EOS-M290設備打印。

此模型分兩種不同試驗方式打印，打印方式一：只在模型底面添加常規的塊狀支撐和錐形支撐，倒角處不添加支撐，其他參數選用EOS默認參數；打印方式二：模型底面添加常規的塊狀支撐和錐形支撐，倒角處添加同樣的塊狀支撐和錐形支撐，其他參數選用EOS默認參數。模型見圖1、圖2。

圖1 方式一

圖2 方式二

通過以上兩種方式打印的結果可見，打印方式一45°倒角處整周全部上翹；打印方式二45°倒角處有1/3圓周長度支撐拉不住模型實體，支撐與模型連接處產生開裂。兩種方式打印皆在45°倒角處發成翹曲變形，翹曲阻擋住刮刀刮粉，打印失敗。打印效果見圖3、圖4。

圖3 方式一打印結果

圖4 方式二打印結果

通過以上兩種打印方式得出，零部件45°倒角直接進行SLM打印易發生翹曲變形，不利于零部件成形。可通過更改零部件模型去掉倒角，后期通過車削機械加工方式進行倒角。切削加工具有高效率、高精度和高表面質量的優點[7]，得到的倒角精度和表面質量更好，機械性能也更加優良，從而提高了零部件在海洋儀器設備中的可靠性。

3 海洋儀器設備中不同零部件對激光填充線距離參數的選擇

EOS M290打印時，打印件實體部分每一打印分層的內部是由激光束按設定好的路徑逐步熔化金屬粉末而堆積成的，激光束在每一層內部走的路徑就是激光填充線，見圖5。

圖5 激光填充線

一般來說，金屬3D打印成形時，同樣高度的實體零件需要兩倍高度的金屬粉末來熔化成形。EOS M290設備使用的標準參數中，每種金屬材料對應的激光填充線距離(Hatch distance)有各自的標準值，因為粉末和實體的密度是有差別的，所以當將激光填充線距離相對標準值逐漸增大時，零件打印每一分層的孔隙率會逐漸增大，零件密度會逐漸減小，質量也相應逐漸減小。

以長方體作打印件為例，打印件尺寸為20mm×20mm×17mm(長×寬×高)，打印時不添加任何支撐；根據海洋儀器設備內部零部件多采用鋁合金材料的現狀，打印材料選用鋁合金粉末(AlSi10Mg)，此粉末粒徑為35～85μm。使用EOS-M290設備打印，對應的AlSi10Mg激光填充線距離標準值為0.19mm。打印10個長方體打印件，每個打印件分別設定不同的激光填充線距離，分別測量每個打印件成形后的質量和打印完成時間，研究海洋儀器設備中不同零部件對激光填充線距離的選擇方案。

打印時設定刮刀的刮粉速度為80mm/s、刮刀回收粉倉的速度為150mm/s，打印層厚為0.03mm，每個長方體分567層打印。設定0.25mm為1個激光填充線距離變化梯度，采用軟件EOS PRINT2.2分別計算單獨1個長方體的打印時間；批量打印這10個長方體打印件，打印完成后進行穩定性處理，然后線切割與基板分離，分別測量每個長方體打印件的質量。

圖6為激光填充線距離分別為0.19mm、1.00mm、2.00mm的打印件照片。實驗數據如表1所示。

圖6 打印件照片

表1 實驗數據表

不同的激光填充線距離下，質量和打印時間的變化趨勢見圖7-圖8。

圖7 質量變化趨勢圖

圖8 打印時間變化趨勢圖

通過上述實驗對比，可得出當激光填充線距離逐漸變大時，打印產品的質量逐漸下降，打印時間逐漸縮短(當零件體積較大或批量打印時，打印時間差距會拉大)。海洋儀器設備絕大多數涉及到配重問題，以使設備漂浮在水面或在水中保持特定的深度。表面漂浮儀器設備、需減小質量的潛器中，有受力小的金屬零部件，可根據需求，采用較大的激光填充線距離，以減少零部件的致密度，減少質量，從而整體減輕儀器設備的總重；同時零部件的打印生產時間縮短，提高了科研工作者的驗證效率和研發效率。

4 結語

金屬3D打印技術在海洋儀器設備關鍵零部件的應用，極大地提高了產品質量與性能，增強了工藝實現能力，降低了產品的研發創新成本，縮短了研發周期，形成海洋領域新型制造體系，為海洋高端裝備提供更加廣闊的設計自由度，逐漸向海洋強國靠近。本文基于金屬3D打印設備EOS M290，采用選擇性激光熔化技術，進行某海洋儀器設備中渦輪打印工藝優化試驗和海洋儀器設備中不同零部件對激光填充線距離參數的選擇試驗，得出結論如下：

1) 零部件45°倒角直接進行SLM打印或添加常規支撐打印，易發生翹曲變形，不利于零部件成形。可更改零部件模型去掉倒角，后期通過車削機械加工方式進行倒角；可提高倒角表面質量和力學性能，從而提高零部件在海洋儀器設備中的可靠性；

2) 當更改打印參數，使激光填充線距離逐漸變大時，打印產品的質量逐漸下降，打印時間逐漸縮短，有配重需求的海洋儀器設備中，受力小的金屬零部件可采用較大的激光填充線距離打印，以減少零部件質量，縮短打印時間，同時可提高科研工作者的驗證效率和研發效率。