送粉式金屬3D打印的技術現狀及前景分析

李立秋

（沈陽瑞達機械自動化有限公司，遼寧 沈陽 110000）

1 幾種常見的金屬3D打印工藝對比

金屬3D打印，常用的工藝方式有電弧送絲打印（簡稱為WAAM）、送粉打印（簡稱LDM）和鋪粉打印（SLM）。對其特點、適合的用途做簡要對比，見表1。

表1 常見金屬3打印工藝特點對比

從上表可以看出，送粉打印具有獨特的優點：可以混合多種材料完成梯度打印，以及具有減重要求和內流道結構的大型制件。這使其在當前具有不可替代性。

2 送粉式3D打印的技術問題及其應對措施

2.1 送粉式3D打印的技術問題分析

送粉式3D打印，在加工過程中，激光的光斑與送粉噴嘴在運動機構的帶動下做同步運動，光斑走到的地方形成熔池，同時粉末落入熔池，形成增材打印的工件體。在工藝參數確定后的打印過程中，仍有以下幾個問題需要特別重視：

打印往往是在基板上開展的；而基板初始是冷態，在打印一段時間后，基板及新打印出的工件體具備了一定的溫度。冷態的基板，必然快速的吸收大量的熱，造成初始加工時熔池溫度偏低。這是在基板附近形成制件質量問題的主要因素。

運動機構在直線運動時是勻速的，但在拐彎折角處并非勻速，久而久之會在拐彎折角處形成打印凸起；對應的，在直線打印部位形成塌腰。

工件表面的高低差異，會造成送粉噴嘴相對工件表面的距離時近時遠，熔池的光反射會使粉末在送粉噴嘴處熔化和再凝結，形成凝結塊。凝結塊一旦跌落到熔池，會造成制件表面的個別凸起，在此處容易形成氣孔；凝結塊長時間存在于噴嘴處又容易造成噴嘴堵塞，使送粉參數被動改變。

工件表面的凸起、凹陷，造成激光在工件表面聚焦狀態發生變化，這會影響激光對工件表面的作用效果，進而造成工件加工過程中激光功率密度發生變化。

因工件表面狀態不理想造成工藝參數被動變化，是制件產生裂紋的一個主要因素。

所以，在工藝參數設定合理的情況下，3D打印過程中送粉過程的不理想和光斑移動速度的不均勻，是造成工件缺陷的主要本質因素。而光斑移動速度受限于機械結構的動態響應特性，不可能做到完全理想；送粉噴嘴形成凝結塊以及凝結塊的脫落和送粉噴嘴的堵塞，也屬于偶然的現象，沒有特定的規律，這兩點都難于直接處理。

2.2 送粉式3D打印難點的應對措施

現在的工程應用中，經常采用雙比色溫度傳感器或者熔池檢測相機，監測熔池的溫度或者形貌，對激光功率進行閉環控制，這對抵消基板冷態給熔池造成的影響有一定的好處。

在不考慮基板溫度的前提下，通過2.1的分析可知，光斑移動速度的穩定性和送粉狀態的被動改變會影響熔池，進而造成質量缺陷。由于光斑移動速度和送粉狀態參數的被動改變在工程實踐中難于直接管理，也可以通過監測熔池狀態、并以此控制其他工藝參數，來使熔池向有益的方向做出調整。

光斑在拐角處運動速度變緩，對應的會造成激光在工件表面的作用時間加長，所以，熔池溫度會有相應的增高。相對的，對于直線段，熔池的溫度應該略低于拐角處。

當工件表面已經產生塌腰，當光斑經過塌腰區域時，因為激光經過聚焦鏡片后的匯聚點處于工件表面的上方，造成熔池處激光能量分散，此時熔池溫度也會偏低。

基于以上分析，以檢測熔池溫度為例，可以衍生出新的控制策略——通過監測熔池的溫度，在最初幾層基板為冷態時，以熔池溫度監測作為輸入，對激光功率進行閉環控制，以抵消基板冷態對熔池的影響；而基板溫度進入熱態后，當檢測到熔池溫度過低時，表示光斑正在經過塌腰區域，依據目標溫度與理想溫度的偏差值，按照一定規則控制設備降低運動速度倍率，以延長激光在工件表面的作用時間和粉末落入的時間，可以對塌腰區域起到自動填補的效果。

事實上，熔池并非是靜態的，像翻滾的開水，在激光的沖擊作用下，底層的熔融金屬不斷的向上翻滾；而底層翻滾上來的金屬熔液溫度必然比表層原有的金屬熔液溫度低，這會造成熔池溫度測量存在一定偏差。另外，如果使用相機監測熔池形貌，因為熔池的翻滾蕩漾，以及送粉氣體和保護氣對熔池的吹動效果，熔池的表面形貌也是不穩定的；所以，在設計控制算法時，要注意做好濾波和均值處理，避免測量偏差對閉環控制造成不良影響。

3 送粉3D打印的產業前景

當前，因電弧送絲打印（WAAM）速度快，并且制件部分性能甚至超越傳統的鑄件，所以發展迅速；鋪粉打印（SLM）因其制件精細，對具有內結構要求的工件減重突出，工藝參數確定后生產過程幾乎不需要人工參與，所以應用市場擴張也非常迅速；而送粉打印（LDM）因為加工過程需要人工干預較多，在生產速度上也并不是特別突出，其市場逐漸被擠壓。然而，送粉打印又有其不可替代性：打印成分變化的梯度功能件、以及具有特殊組分的大型結構件，只有送粉打印才能完成，另外，利用送粉打印可以隨時調整制件成分的特點，可以開發出高通量材料測試設備，用于新材料開發，對于國內材料科學的發展具有極其重要的意義。所以，送粉打印（LDM）有其特定的發展空間和存在必要性。

通過表1所列出的3種3D打印工藝的對比，送粉3D打印（LDM）相比于電弧送絲打印（WAAM）的劣勢是加工速度，相比于鋪粉3D打印（SLM）的劣勢是制件精度；送粉3D打印的加工速度很難實現大規模的提升，但是，通過提升制件精度，將快速擴大送粉3D打印（LDM）的應用場景。將送粉3D打印與傳統的銑削減材加工相結合，設計制造多工位增減材一體設備，實現增材打印和減材制造的交替進行，當在一個工位做送粉3D打印或者銑削減材的同時，其他工位用于對已打印工件的冷卻以等待銑削減材；通過一套增減材設備交替的對多個制件進行增材打印和銑削減材的加工，將在提高產品制件精度的同時，達到生產效率并未明顯降低的效果，這樣將對鋪粉3D打印（SLM）形成壓倒性優勢，極大擴大送粉3D打印（LDM）的應用場景。

實現送粉3D打印材與銑削減材的一體化，增材和減材的融合是一個難點，需要解決產品空間定位、增減材過程中坐標變換的問題，這需要在軌跡規劃軟件開發方面有所發展創新；還要解決增、減材之間工藝結合問題：比如，在銑削減材過程中不能使用切削液，否則切削液殘留會在下一步的打印過程中影響制件的成分。

4 結語

送粉式3D打印，具有打印速度較快、制件尺寸基本不受限制、可實現梯度打印等優點，這些特點使其在3D打印領域具有不可替代性。對于送粉3D打印有針對性的開發熔池控制技術、增減材技術的研究，可以減少送粉3D打印過程對于工藝人員的依賴，有效的擴大送粉3D打印的應用場景，帶來廣泛的社會效益。