金屬材料增材制造成型結構研究進展綜述

韓國梁，石文天，韓玉凡，劉玉德

（北京工商大學材料與機械工程學院，北京 100048）

新興的增材制造（3D打印）技術是先進信息技術、制造技術與新材料技術等多學科融合發展的一種新興工業制造技術。被業界認為是“21世紀十大顛覆性技術之一”和“將要改變世界的技術”，并會引領“第三次工業革命”。典型的金屬增材制造方法，和傳統加工方式相比具有成型高致密度、力學性能優異、可制備復雜零件和節省材料等諸多優勢，非常適合應用于注重輕量化、個性化的復雜模具、航空航天、汽車、醫療等領域。

在SLM技術運用于生產過程中會遇到各種復雜零件，這些零件中會包含許多復雜結構，其中典型的有：懸垂結構、薄壁結構、多孔結構等。這些結構在成形過程中經常會出現各種缺陷從而影響最終金屬零件的成型質量，因此解決這些復雜結構成形質量對于保證復雜結構零件的質量具有重要的意義。本文將本文根據國內外研究報道，系統地綜述了金屬材料增材制造成型成型薄壁結構、懸垂結構、多孔結構的研究并提出了今后的研究展望。

1 薄壁結構

薄壁零件通常都要求質量輕、精度高、壁厚薄。因此在采用SLM技術制造薄壁零件時薄壁零件的尺寸精度和力學性能就是影響零件質量的關鍵因素。薄壁尺寸量級較小，鋪粉效果好與壞直接影響成型的質量，不同特性的粉末對鋪粉效果有著很大的影響，粉末團聚將。為了解決薄壁應力復雜成形較難的問題，劉超[1]等人通過有限元分析的方法對薄壁成形過程中的溫度場和應力進行了模擬，研究了各參數對成形過程中溫度梯度和應力的影響。發現了成形區域散熱比較慢并得出了薄壁成形中最佳掃描線長為15mm；對應力進行分析時得到了應力主要分布在薄壁兩側和頂部，其中兩側應力主要以Z方向為主，頂部應力則以X方向應為主的結論。根據結論他們提出了多熔道薄壁成形時對薄壁兩側添加支撐和分區域掃描的策略，經過試驗后得到了較好的成形效果。王飛俊[2]等人研究發現薄壁結構變形主要在薄壁件頂部，最大殘余應力主要分布在試件與薄壁件中間。

2 多孔結構

多孔結構（Porous Structure）是一種由形成孔隙的棱邊和壁面的固體桿或固體板所構成的相互聯結的網絡體[3]。傳統制造技術經常使用粉末冶金、聚合物發泡法、熱噴涂等加工技術來生產多孔結構。表征多孔結構幾何特性的主要參數有孔徑、孔隙率、比表面積、孔棱直徑、形狀各向異性率等。多孔結構作為一種特殊結構和功能材料在能量吸收[4]、過濾和分離[5]、電磁屏蔽[6]、熱交換[7]、人工植入體[8]等方面有著獨特的優勢，已廣泛應用于航空航天、汽車、化工、生物醫療等領域。SLM技術以激光束為能量源，通過聚焦可得到較小的光斑尺寸使加工精度更高，從而能加工出更為精細的結構，與傳統制造技術相比有獨特的優勢[9，10]。

與其他兩種結構相比較，多孔結構本身比較復雜，樣件模型設計也是一項重要研究內容。概率球模型可以有效地控制點陣的不規則度，實現某個方向上具有梯度孔隙率的多孔結構建模；同時研究了可控多孔結構幾何參數的變化規律，優化了多孔結構SLM制造工藝，并對多孔結構的力學性能進行檢測，得到了符合設計目標的多孔結構。在不影響內部點陣排列結構的前提下，通過對三維模型的底面點陣進行適當裁減，增大底面與基材的接觸面積，實現增加結構體與金屬材料增材粘合力的目的并保證了結構體的成形效果。

3 懸垂結構

懸垂結構在復雜零件內是常見的結構類型，如內孔、水平外表面。懸垂結構又分為水平懸垂結構和非水平懸垂結構，其成形過程中具有較多缺陷：翹曲變形、掛渣、粘粉等，這些缺陷制約了成形高精度懸垂結構零件。針對這些問題常見的解決方法有添加支撐、通過調整參數或者改變成形方向等方法來減少懸垂結構的缺陷產生。

在懸垂結構中添加支撐結構作用主要包括[11-13]：承接下一層粉末層，防止出現塌陷；在抑制成型過程中由于受熱和冷卻產生的應力收縮，減少翹曲發生；連接上方新成形的部分防止發生變形。陳超[14]等人通過對SLM打印懸垂結構過程中出現的變形問題進行分析，總結了手動添加支撐的基本規律，并且通過ANSYS Additive軟件分別對手動和自動添加的支撐結構及零件結構成型過程中的變形進行模擬仿真，驗證支撐添加規律的正確性，大幅減少支撐面積。F.Calignano[15]等人對懸垂結構和支撐結構的類型進行了研究，確定了最優自支撐懸臂結構，同時也對零部件成形方向對結果的影響進行了研究分析，并通過試驗驗證了結果的可行性。HAO L[16-17]等研究了零部件成形方向對結構的影響，對支撐結構進行了設計，提出了新型多孔結構支撐構型。張小川[18]等人通過試驗和仿真手段研究了懸垂結構成形中的應力分布規律，提出了非均勻支撐分布的設計思路，設計了一種基于正態分布的支撐布置形式，實現了支撐分布的優化設計。

在金屬增材成型件與基板接觸的邊角位置有最大的殘余應力，當激光功率與掃描速度比值不變時，懸垂結構位置變形隨著激光功率增加而增大。石文天等[19]研究了在極限成形角度附近以不同激光功率和不同掃描策略下，鎳鉻合金鋼和316L成形懸垂結構的精度和表面質量。并提出了“回”字形完全填充掃描策略，并進行了試驗驗證。試驗表明：在極限成形角度附近成形的懸垂結構能夠保證良好的成形精度和工藝效果，采用縮小點距和線間距的“回”字形完全填充掃描策略可獲得最低的表面粗糙度值和較好的成形效果。

4 結語

國內外學者對這些復雜結構研究比較全面且深入，結合了不同學科內容來研究SLM成形復雜結構的基理，探尋缺陷產生的原因，并通過仿真與試驗相結合的方法不斷優化工藝過程。對于這些復雜結構仍然存在一些問題需要進一步深入研究：①薄壁結構的壁厚較薄，需要開發出可以生成更小光斑直徑的激光器，研究出更加精密的鋪粉設備和鋪粉策略以及合理的粉末粒徑和成分配比。②對于可控多孔結構需要開發出一種簡單易用的的建模軟件，可以更方便的與有限元軟件進行交互；同時多孔結構上粘粉現象嚴重導致尺寸精度較差，仍需進一步研究改善。③需要設計出一種適合懸垂結構、結構簡單易去除的支撐結構；極限成形角度附近的成形效果仍需進一步優化，減少懸垂結構支撐使用量。④探索包含多種復雜結構零件在實際生產中的應用，總結出一套具有普適性的SLM制造復雜結構的加工工藝。