金剛石磨粒工具增材制造技術現狀及展望＊

王建宇，黃國欽

（華僑大學 制造工程研究院，福建 廈門 361021）

金剛石是自然界中已知最硬材料，具有高硬度、強耐磨等物理性能和高化學穩定性等[1]。以其為磨粒制作的各種形式金剛石磨粒工具具有鋒利、耐磨等特性，廣泛應用于石材、陶瓷、光學晶體、光電半導體材料等硬脆性材料的高效精密加工中，是航空航天、國防軍工、電子信息和資源開采等領域高質量加工與制造的重要工具支撐[2]。

隨著我國“制造強國”穩步推進，高效精密加工蓬勃發展，其所用的加工工具的高性能需求也正穩步提升。為進一步滿足加工質量及加工效率的苛刻需求，學者們已將磨粒工具的結構改進視為提升工具性能的突破口。因此，異型結構、內流道等復雜結構逐步進入研究視野。加壓內冷卻開槽砂輪、具有微槽和噴霧冷卻效果的砂輪、蜘蛛網狀金剛石砂輪等各種復雜結構工具應運而生，如圖1所示[3-5]。但是復雜的結構卻給生產加工的可行性、高效性、經濟性都帶來了巨大的挑戰。

圖1 復雜結構金剛石磨粒工具[3-5]Fig.1 Complex structure diamond abrasive tool[3-5]

傳統金剛石磨粒工具的制備方法主要有電鍍、釬焊和燒結，不同制備方法對磨粒的固結方式并不一樣。釬焊法[6-7]制備金剛石磨粒工具是利用高溫釬焊技術，通過釬料的作用實現基體、金剛石之間的化學冶金結合。電鍍法[8-9]則是利用金屬電沉積方法，使得金剛石被胎體金屬牢固包覆在基體上。然而，這2 種方法都是在工具基體表面固結磨料，以制備具有復雜內部結構的磨粒工具。燒結法[10-11]是通過混料成型工藝，用造孔劑等方式實現工具的多孔結構制造，但是在具有規則或復雜內部結構的成型上是無能為力的。由此可見，上述傳統方法受其自身制備原理的限制，難以直接成型復雜結構工具。目前，雖然可以在工具基體上通過結塊組裝等形式實現較為簡單的結構工具的制備，但對于復雜結構卻難以奏效，更不用提一體化成型。

作為近年來備受熱捧的一項顛覆性制造技術，增材制造技術是利用二維CAD 數據，通過逐層添加材料的方法來實現具有復雜結構零件的一體化成型制造[12-13]。相對于減材制造，增材制造的獨特優勢，有：（1）增材制造不受傳統加工技術要求的限制，可以很容易實現復雜結構一體化成型，而減材制造卻難以實現；（2）增材制造的原材料豐富多樣，可以是粉末、細絲或液體等，而減材制造的原材料則以實心塊或鑄件的形式為主；（3）增材制造可以節約零件成型過程的材料損耗，而減材制造則會以產生切屑、碎片等形式形成最終的工件，造成不可避免地材料和能源浪費。圖2 為2 類制造方法的典型技術流程。隨著研究的不斷深入，增材制造技術逐步發展為智能制造中的重要組成部分，在面向航空航天、新材料、軌道交通、醫療器械等具有國家振興戰略意義的新興領域中逐步展示出巨大實力和應用價值[14-15]。

圖2 技術流程圖Fig.2 Technical flow chart

選擇合理的制造方法是影響產品開發周期的關鍵決策因素之一。基于增材制造的優勢且從長遠發展來看，該技術可將具有復雜幾何形狀的零件在需要位置的附近甚至是確切位置上進行制造，這從根本上改變了一些產品的供應鏈、設計以及生產過程[16]。目前，增材制造技術已經將一些不能通過減材制造方式輕松生產的金屬部件應用到實際生產中。原材料也從最早的熱塑性聚合物材料逐步發展到金屬粉末材料、復合材料等，使得該技術的應用領域也日趨廣泛[17]。

鑒于增材制造技術具有優異的復雜結構成型能力，采用增材制造技術進行金剛石磨粒工具制備也已被業界視為解決復雜結構磨具高效制備的潛在手段，而成為研究熱點。為此，對目前學者們利用增材制造方法制備金剛石磨粒工具的相關研究進行總結，以期為未來金剛石磨粒工具制備及發展方向提供參考。

1 增材制造技術的分類與特點

增材制造技術屬于快速成型技術的一種，其通過三維軟件對模型進行建模及切片處理，運用金屬粉末或塑料等熔化后可以黏合起來的材料作為原料，通過逐層打印的方式構造出所需的形狀結構[18-19]。增材制造方法眾多且各具特色，如表1所示[20]。但就目前已有的報道而言，用于制備金剛石磨粒工具的方法主要有光固化成型技術（SLA）、選擇性激光燒結技術（SLS）、激光選區熔化技術（SLM）等，其余增材制造方法由于原材料的限制或成型質量差等問題，用于制備金剛石磨粒工具的相關文獻資料記錄較少。因此，重點介紹以上3 種方法的原理及特點。

表1 增材制造方法及優缺點[20]Tab.1 Additive manufacturing methods and their advantages and disadvantages[20]

1.1 光固化成型技術（SLA）

在光固化成型技術中，由光聚合單體（如丙烯酸酯或環氧化物）組成的光固化樹脂薄2D 層連續暴露于激光照射下，激光束提供誘導其光聚合過程所需的能量，樹脂結合許多小單體并形成高度交聯的聚合物。因此，這些液體層會在彼此的頂部產生凝固現象，逐層累積后直到完全構建出3D 立體部件[21-23]，如圖3所示。待打印過程全部完成，將模型從樹脂中取出后，可進行最終固化及電鍍、噴漆或著色等后處理，從而得到滿足要求的產品。該技術成型速度快，但由于感光樹脂固化過程中產生收縮現象，不可避免地會產生應力或引起變形，因此開發收縮小、固化快、強度高的光敏材料是其發展趨勢。

圖3 SLA 打印原理圖Fig.3 SLA printing schematic

1.2 選擇性激光燒結技術（SLS）

選擇性激光燒結技術是采用高功率激光束選擇性地照射在目標粉末床的表面，粉末得到加熱并實現燒結固化（即顆粒間熔合）。在此之后，一層新的粉末被鋪在前一層表面上，用于下一次的加熱固化和連接，層層疊加后最終生成所需形狀的零件結構，如圖4所示。由于激光掃過的部分產生凝結，沒有掃過的部分仍然是粉末，因此已經成型的結構始終被粉末床中的松散粉末包圍著，所以SLS 技術中不需要為懸垂區域特意準備額外的支持結構[24-25]。該技術可成型的材料眾多，被廣泛研究用于加工各種粉末材料，首先是低熔點的塑料和聚合物粉末[26-27]，后來又逐步擴展到金屬（如鋁、鐵和銅）和熔點較高的復合粉末[28-29]。其可以成型幾乎任意幾何形狀的零件，對于具有復雜內部結構的多孔零件特別有效[30]。與傳統工藝相結合，還可實現快速鑄造和小批量零件輸出等功能。

圖4 SLS 打印原理圖Fig.4 SLS printing schematic

1.3 激光選區熔化技術（SLM）

激光選區熔化技術與選擇性激光燒結技術原理相似，也是一種利用高能量激光束進行成型加工的技術，其基本原理是通過激光的高能量掃描薄層粉末，在高能量激光的作用下選擇性地熔化并黏結松散的粉末，最終經過冷卻凝固而成型，如圖5所示。該技術與選擇性激光燒結技術的不同之處在于，SLS 技術使用的原材料是不同熔點粉末的混合材料，加工過程中只熔化了低熔點材料，高熔點粉末不熔化；而SLM 技術則是將粉體材料完全熔化，通過散熱凝固實現冶金焊合，并且整個工藝過程是在惰性氣體保護下進行的[31]。SLM 技術適用于制備幾何形狀復雜的零件，且可在不需要黏結劑的情況下實現致密度較高的凈成型[32-33]。

圖5 SLM 打印原理圖Fig.5 SLM printing schematic

2 增材制造技術制備金剛石磨粒工具

2.1 SLA 技術制備金剛石磨粒工具

從20世紀90年代開始，利用光固化增材制造技術制備金剛石磨粒工具進入學者的研究視線。SLA 技術的主要原材料是光硬化樹脂，其具有固化速度快、生產效率高等優點，且節約能源，無污染產生。田中武司等[34]發現，該技術的分層技術可以用于金剛石樹脂砂輪的制備，并通過切割試驗驗證了此新工藝的可行性。隨后該工藝被用于各種不同類型磨具的制備，并得到發展[35-36]。

為了取代熱壓和燒結等傳統工藝，提供一種快速、經濟、環保的增材制造方式，GUO 等[37-38]將紫外光固化樹脂作為黏結劑引入精密磨料工具的制造過程中，采用旋涂法和扇形成型制造方法研制了一種紫外光固化樹脂的金剛石研磨板，如圖6所示。通過與漿料基鐵板研磨試驗對比，其在陶瓷工件上的加工性能得到檢驗。在研磨工藝中，這種新方法制備的研磨板使工件的表面粗糙度降低12%，材料去除率提高25%。后續學者對該工具在電子基板材料上的研磨情況進行深入研究，結果表明研磨過程綜合了固定磨料顆粒和松散磨料顆粒的優點，同樣實現了較高的材料去除率以及更好的表面質量等。

圖6 紫外光固化樹脂黏結劑磨具固化工藝[37-38]Fig.6 UV curing resin bond abrasive tool curing process[37-38]

QIU 等[39-40]發現磨粒在砂輪中的空間位置對砂輪的均勻磨損和工件的磨削質量有著重大影響，并基于增材制造技術研制了一種立體光刻設備，以用于生產具有3D 可控磨料排布的樹脂結合劑砂輪。制備的具有不同磨粒空間排布的光固化樹脂砂輪包括環形、矩形以及螺旋形等，如圖7所示。通過磨削試驗進行實用性驗證，結果表明：與傳統的隨機排列磨料砂輪相比，3D 可控磨料排布的樹脂結合劑砂輪具有更長的有效磨削時間和更大的材料去除量。

圖7 具有3D 可控磨料排布的砂輪[39-40]Fig.7 Grinding wheel with 3D controllable abrasive arrangement[39-40]

2.2 SLS 技術制備金剛石磨粒工具

選擇性激光燒結工藝最早是由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R.Deckard 在1989年提出，隨后其創建了DTM 公司并于1992年發布了基于該項技術的工業級商用3D 打印機Sinterstation[41]。該技術可以實現真正的自由制造，尤其是在制造具有極為復雜結構的工件時，能夠展示出具有傳統制造工藝不可比擬的巨大優勢。然而利用此種技術制備金剛石磨粒工具，無疑也是一種具有創新性的大膽嘗試，激光的高能量可使混合粉末的低熔點粉末發生熔化，凝固后有利于金剛石與金屬粉末之間形成性能更加穩定的冶金結合。

YANG 等[42]在2016年利用SLS 技術制造了一種金剛石分布規則的金屬結合劑金剛石砂輪，其制造工藝如圖8所示，解決了用于精密、超精密加工的金剛石磨粒工具中磨粒分布不規則以及制備工藝復雜等難題。主要工藝參數有輸入功率為300～500 W，掃描速度為25～35 mm/min，激光能量分布在一個矩形區域，光斑尺寸為3 mm×2 mm。圖9 為金剛石砂輪局部形態圖[42]。當能量密度介于342.8～364.2 J/mm2時，金剛石顆粒和金屬基體結合，如圖9a所示，鎳鉻合金對金剛石的潤濕性良好，顆粒形狀完整。采用砂輪轉速為20 m/s、進給速度為2 m/min 以及切削深度為0.08 mm 的參數進行磨削試驗，磨削后的砂輪形貌如圖9b所示，其磨削表面無磨粒脫落現象發生。

圖8 磨粒分布規則的金剛石磨粒工具制造工藝[42]Fig.8 Manufacturing process diagram of diamond abrasive tool with regular abrasive particle distribution[42]

圖9 金剛石砂輪局部形態圖[42]Fig.9 Partial shape diagram of diamond grinding wheel[42]

針對巖層鉆探效率低的問題，WU 等[43-44]提出將鑲嵌金剛石鉆頭的胎體設計為網格狀結構，如圖10所示。網格塊徑向同心分布在整個工作層中，2 個相鄰的網格之間留有很多間隙，該種結構可在鉆頭表面施加更大的壓力，因此更易鉆入堅硬的巖石且利于巖石破碎。激光燒結技術使CoCrMo 合金粉末胎體在激光功率為200～300 W、掃描速度為800～1 000 mm/s、掃描層厚為0.05 mm以及燒結溫度為1 050 ℃時得到最優的力學性能。通過切削試驗研究了這種網格狀結構金剛石鉆頭的破巖機理，結果表明：CoCrMo 合金粉末十分適合作為該結構鉆頭的基體材料，當網格間距為2 mm 時，產生的巖屑最大，可獲得最優的破碎效果。

圖10 網格狀金剛石鉆頭工具[43-44]Fig.10 Grid diamond bit tool[43-44]

選擇性激光燒結技術不僅在制備金屬結合劑金剛石砂輪中得到應用，而且在以樹脂為黏結劑的工具制備中同樣嶄露頭角。DU 等[45]利用玻璃球為造孔劑，尼龍作為黏結材料，將SLS 技術用于3D 打印帶有內冷卻孔結構的樹脂結合劑金剛石砂輪，如圖11所示。制備時，激光掃描功率為25 W、掃描速度為2 000 mm/s、層厚為0.1 mm 以及燒結溫度保持在171.5～173.5 ℃。該工藝可使金剛石磨粒很好地黏結在黏結層中，白剛玉的加入也使得砂輪的硬度和彎曲強度得到提高。磨削試驗證明：此工藝制備的砂輪可用于磨削玻璃以及硬質合金，而隨著內部的冷卻孔數量以及直徑的增加，還可有效降低磨削力，并獲得2～4 μm 的表面粗糙度。但是，由于尼龍的塑性流動使得磨削中金剛石磨粒的突出高度較低，后續研究可對原材料進行調整與創新。

圖11 3D 打印樹脂結合劑金剛石砂輪[45]Fig.11 3D printing resin bond diamond grinding wheel[45]

2.3 SLM 技術制備金剛石磨粒工具

激光選區熔化技術作為專門用于金屬粉末增材制造的一種方法，可以用于快速成型制造以及批量生產中，其原材料種類多樣且可以實現復雜形狀和內部特征結構工具的制造。因此，學者們從金屬基復合材料成型優化入手，將該技術逐步用于制備復雜結構的金屬結合劑金剛石磨粒工具[46]。金屬結合劑金剛石磨粒工具具有良好的熱學和機械性能，適用于多種工件的切削加工。目前，常見的金屬結合劑有鈷基、銅基、鎳基以及鋁基等[47-49]。

基于金屬結合劑的優勢，從復合材料成型問題入手，制備了不同種類金屬結合劑的復合材料塊狀試樣，如圖12所示[50-52]。MA 等[50]采用激光選區熔化技術制備鋁–金剛石復合材料，結果表明：SLM 技術制備的樣品具有復雜的物理化學性質，且可獲得微米級的擴散結合界面。GAN 等[51]在激光功率為260 W、掃描速度為300 mm/s、掃描層厚度為0.09 mm 時，利用SLM 技術制備Cu–Sn–Ti 結合劑與金剛石磨粒復合材料。將該方法制備的試樣與熱壓燒結試樣在質量損失率、磨損形態以及結合條件等方面進行對比，結果表明：即使存在高溫打印過程導致金剛石發生石墨化的現象，但SLM 樣品與金剛石的結合力顯著提高。SPIERINGS 等[52]將具有鎳鍍層的人造金剛石顆粒與Cu–Sn–Ti–Zr 合金復合制備穩定的塊狀樣品，樣品中的金剛石顆粒在基體材料中包裹緊密，且其外層覆蓋著小的TiC 顆粒，金剛石的石墨化現象得到明顯緩解。以上不同種類結合劑的制備研究雖然沒有發展為具體的工具形式，但是都充分證明了該種工藝的可成型性，為今后利用該技術成型金屬結合劑金剛石磨粒工具提供了一種全新的方法。

圖12 SLM 塊狀試樣[50-52]Fig.12 SLM block sample[50-52]

在工具制備方面，SLM 工藝可快速成型一些傳統制造工藝難以成型的復雜結構工具，且可有效解決傳統金屬結合劑金剛石工具所面臨的使用壽命短以及加工表面燒傷等問題。圖13 為SLM 工具制備及磨削試驗平臺，LI 等[53-57]以AlSi10Mg 為結合劑，通過幾種常見結構的制造極限來評估SLM 制造復合材料的可制造性，結果表明：SLM 不能制造厚度小于0.3 mm 的薄壁、直徑小于0.2 mm 的圓孔以及邊長小于0.3 mm 的方孔，這些制造限制為具有可控多孔結構的金屬結合劑砂輪的設計提供了依據。設計多種形式孔洞作為砂輪的多孔結構，在試驗和模擬的基礎上，研究了不同結構的形態特性、力學性能、滲透性等，發現八面體結構孔洞的砂輪具有最優的機械性能和滲透性，是高性能多孔砂輪的潛在結構。在磨削試驗中，該方法制備的砂輪具有良好的自銳性，且八面體孔洞結構砂輪表現出最小的摩擦力、最高的瞬時切削力以及最小的加工硬化等。

圖13 SLM 工具制備及磨削試驗平臺[53-57]Fig.13 SLM tool preparation and grinding experiment platform[53-57]

對以上3 種金剛石磨粒工具增材制造方法的特點進行總結：（1）SLA 技術制備金剛石磨粒工具優點在于無需高能量激光束，對磨粒的熱損傷小，但材料種類單一，固化過程易產生收縮形變，對磨粒結合力差；（2）SLS 技術制備金剛石工具具有無需為懸垂區域特意準備額外支持結構的特點，僅低熔點粉末熔化，成型強度及磨粒結合力均較弱；（3）SLM 技術無需黏結劑，粉末完全熔化，具有成型致密度高且磨粒結合力強等優勢。但是SLS 與SLM 技術在制造過程中均使用了高能激光束，溫度過高容易導致金剛石石墨化，且易產生殘余應力和應力集中等現象。

3 結語及展望

在介紹不同增材制造技術基本原理的基礎上，總結了目前采用增材制造技術制備金剛石磨粒工具的研究進展及應用實例。通過總結不難得出，采用增材制造技術制備金剛石磨粒工具潛力巨大。但是，從已有報道來看，此類技術在應用上依然存在不足。針對這些不足，未來建議從以下幾點進行重點突破：

（1）采用增材制造技術制備金剛石磨粒工具解決了利用傳統制造工藝難以制造復雜結構的成型問題，并且近凈成型的優點使得后處理工藝得到簡化，大大縮短了制備周期，顯著提高生產效率。然而，增材制造結構的各向異性是該種工藝的主要缺點之一，在可變和重載的情況下可能會影響到工具的加工性能。解決該問題可以從創新結構設計方面考慮，以改善其各向異性。因此，面向增材制造技術的金剛石磨粒工具宏微觀結構設計與優化是未來研究重點。

（2）采用SLS 技術、SLM 技術均存在激光掃描熔化過程，過高的溫度可能導致金剛石產生石墨化，影響整個工具的使用壽命及使用性能。未來重點面向激光加熱工藝開發結合劑粉末和金剛石熱防技術，并通過研究激光加熱增材制造過程熔池熔凝行為，優化加熱工藝參數，從而緩解金剛石熱損現象發生，在保證較高結合強度的同時又可提高工具的使用性能及使用壽命。

（3）由于增材制造工藝制備金剛石磨粒工具以復合材料、復雜結構為主，而復合材料的熱性能差異容易產生殘余應力，復雜結構容易導致應力集中現象發生。這些問題都可能引發工具產生微裂紋甚至開裂等，解決該問題的方式主要是后期的熱處理。但不同功能、不同結構的工具需要的后續熱處理工藝不盡相同。因此，改善增材制造結構件的力學性能，選擇恰當的熱處理工藝也是未來值得關注的問題之一。

（4）目前對增材制造技術制備工具中金剛石的熱損傷以及工具使用性能的評價缺乏相應的評價標準，未來也需要進行重點突破。