黃澤銀，章橋新，婁曉剛

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 引言

金屬3D打印技術(shù)是新型制造技術(shù)，其不再需要各種機(jī)床和傳統(tǒng)的刀具、夾具就可以快速準(zhǔn)確地將各種設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化實(shí)體模型[1]，即通過建造三維模型并對(duì)其進(jìn)行離散處理，經(jīng)切片軟件按照打印方向進(jìn)行分層，得到每層的二維運(yùn)行軌跡，得到成形零件的G代碼，經(jīng)由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通過G代碼指令控制機(jī)械機(jī)構(gòu)帶動(dòng)打印頭按分層軌跡逐層打印疊加、黏結(jié)，完成實(shí)體零件制造[2]。

目前，用激光作為熱源如選區(qū)激光熔化（SLM）、激光近凈成形（LENS）等以及電子束熱源（EBSM）[3]，在鑄造方面進(jìn)行無模直接成形金屬零件3D打印的研究已經(jīng)逐漸成熟，成形件高精度和高致密度的特點(diǎn)更使其能成功運(yùn)用到航空航天等高端制造業(yè)上，但激光、電子束等熱源的設(shè)備昂貴、運(yùn)行成本高，而要將金屬3D打印運(yùn)用到工業(yè)化生產(chǎn)，使用等離子束作為熱源會(huì)獲得更高的性價(jià)比[4]。目前等離子束在鋼鐵材料的直接成形方面的研究還處于基礎(chǔ)研究階段，存在很多的局限性，如能量集中較差，小電流時(shí)很難控制且很能熔化高熔點(diǎn)材料。微束等離子由于其具有穩(wěn)弧性、焊接過程無金屬飛濺、熱量集中的特點(diǎn)，可以更好的控制焊接過程中熔池的流淌和焊接基板的變形，因此微束等離子在3D打印快速成形工藝的研究將成為一種趨勢(shì)[5]。

基于上述原因，設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)基于微束等離子成形金屬3D打印的試驗(yàn)平臺(tái)，以微束等離子弧作為熱源能量輸入，集焊接工藝、3D打印技術(shù)、數(shù)字控制為一體來成形金屬零件，以期能制造出滿足使用要求的精度、致密度和良好力學(xué)性能的金屬零件。

2 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)原理

基于微束等離子金屬3D打印試驗(yàn)平臺(tái)的基本原理就是運(yùn)用微束等離子弧焊的熱源熔化基體和填充金屬材料，由工控機(jī)控制三維機(jī)械臂帶動(dòng)焊槍和擺動(dòng)器在工作平面內(nèi)逐層熔融填充金屬進(jìn)而成形全致密的金屬零部件。

基于微束等離子金屬3D打印的工作原理：由三維軟件（CAD、SolidWorks等）構(gòu)造出三維數(shù)字化模型，隨后將三維模型導(dǎo)入到Slic3r切片軟件，在Slic3r中進(jìn)行打印參數(shù)的設(shè)定，進(jìn)行路徑規(guī)劃，最終生成Gcode文件，將Gcode文件導(dǎo)入到PCI-1245L工控機(jī)中，利用微束等離子弧熔化焊絲，焊槍和送絲機(jī)構(gòu)依據(jù)每一層的成形工藝參數(shù)，在工控機(jī)的控制下發(fā)送脈沖信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)，使其驅(qū)動(dòng)X、Y、Z軸三維運(yùn)動(dòng)下，按照路徑規(guī)劃，對(duì)每一層幾何形狀進(jìn)行掃描打印。每完成一層打印之后，焊槍（Z軸）上升一個(gè)間距，層厚（1～1.5）mm，通過反復(fù)逐層的打印最終實(shí)現(xiàn)金屬零件的精密成形[6]。

3 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微束等離子金屬3D打印系統(tǒng)包括微束等離子焊機(jī)、研華IPC-610工控機(jī)、PCI-1245L運(yùn)動(dòng)控制卡、送絲機(jī)和打印頭、三維機(jī)械臂、冷卻水箱、機(jī)柜等。其實(shí)物圖形，如圖1所示。

圖1 微束等離子金屬3D打印系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.1 3-D Printing System of MPAW

3.1 微束等離子弧焊熱源

金屬3D打印系統(tǒng)是一個(gè)持續(xù)的熱輸入系統(tǒng)，它要求電源能夠在持續(xù)、持久的工作中提供可靠、穩(wěn)定的電弧。微束等離子弧由于其具有穩(wěn)弧性、焊接過程中無金屬飛濺、熱量集中的特點(diǎn)，常規(guī)焊接過程中出現(xiàn)的金屬流淌和焊接基板的變形現(xiàn)象能得到有效地控制，并且其成本比激光、電子束熱源低很多，非常適合作為熱源運(yùn)用到三維焊接直接金屬成形。在微束等離子打印過程中，需要?dú)鍤庾鳛殡x子氣進(jìn)行電離，同時(shí)還要用氬氣提供保護(hù)，為了獲得較好的打印質(zhì)量，保護(hù)熔覆過程中金屬不被氧化，分別采用純度99.99%的氬氣作為離子氣和保護(hù)氣。

3.2 三維機(jī)械臂

3.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3D打印機(jī)構(gòu)種類繁多，造型各異，但原理相似，都必須具有一個(gè)能在X、Y、Z三個(gè)方向都能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)并且都能進(jìn)行獨(dú)立控制的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，然后通過一定的連接方式組建成三維坐標(biāo)系。本試驗(yàn)臺(tái)三維結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。XY之間通過X-Y連接板連接到一塊；為增加Y軸剛度以及支撐Y軸，在X軸對(duì)側(cè)放置X軸輔助滑軌，通過X-Y輔助連接板與Y軸相連，在X-Y連接板和X-Y輔助連接板的帶動(dòng)下，Y軸、Z軸及其附屬機(jī)構(gòu)沿X方向直線運(yùn)動(dòng)；YZ之間由Y-Z連接板帶動(dòng)Z軸及Z軸附帶裝置一同沿Y方向直線運(yùn)動(dòng)；Z軸移動(dòng)滑板上附帶并帶動(dòng)連接板與3D打印所需的焊槍、送絲頭及其裝夾裝置沿Z方向做升降運(yùn)動(dòng)。由于等離子弧不能進(jìn)行反射轉(zhuǎn)移，因此需要焊槍必須近距離工作，而且填絲式熔化極焊接過程要求焊槍和送絲機(jī)構(gòu)匹配工作。為了有效的保證送絲噴頭和焊槍的位置關(guān)系，將二者安裝在同一夾持機(jī)構(gòu)上固定不動(dòng)；將基板裝夾在三維工作臺(tái)上，X、Y、Z軸作三維掃描運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)三維成形[7]。

圖2 機(jī)械臂的三維結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The Three-Dimensional Structure of Mechanical Arm

3.2.2 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與否對(duì)系統(tǒng)成形精度的好壞起著決定性的影響，因此必須對(duì)所設(shè)計(jì)的三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力分析。利用有限元分析工具對(duì)裝配體的整體受力情況進(jìn)行分析，得到裝配體應(yīng)變分布云圖和應(yīng)力分布云圖，如圖3、圖4所示。從應(yīng)變分布云圖中可以看出，系統(tǒng)各部件最大位移為10-5m級(jí)別，不屬于宏觀范圍的位移。從應(yīng)力分布云圖中可以看出，裝配體產(chǎn)生的最大應(yīng)力為5.4×106Pa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)力值，而且應(yīng)力在各個(gè)軸的分布較為平均，無應(yīng)力集中。因此三維運(yùn)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)整體安全穩(wěn)定，強(qiáng)度滿足所使用材料的要求。

圖3 應(yīng)變分布云圖Fig.3 Strain Distribution of Mechanical Arm

圖4 應(yīng)力分布云圖Fig.4 Stress Distribution of Mechanical Arm

3.3 送絲機(jī)和打印頭

圖5 聯(lián)接裝配圖Fig.5 Assembly Drawing of Coupling

在對(duì)絲材的打印過程中，金屬絲的直徑與送絲機(jī)構(gòu)的速度將直接影響到打印成品的質(zhì)量，所以作為絲材的送料機(jī)構(gòu)，送絲機(jī)不僅需要具備適應(yīng)不同直徑的絲材、易于更換的能力，當(dāng)需要使用更細(xì)絲材時(shí)，只需更換不同送絲導(dǎo)槽的主動(dòng)送絲輪即可。同時(shí)應(yīng)具備速度易于控制的特性。另外微束等離子焊機(jī)、送絲機(jī)的送絲導(dǎo)嘴、Z軸連接板之間相互獨(dú)立，所以需要一個(gè)連接裝置將三者連為一個(gè)整體，共同組成金屬打印過程的打印頭組件，同時(shí)由于送絲的傾斜角對(duì)金屬絲的受熱面積有影響，需要在實(shí)驗(yàn)過程中通過調(diào)整夾角來獲得較好的打印質(zhì)量[8]，其聯(lián)接裝配圖，如圖5所示。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 研華IPC-610工控機(jī)

金屬3D打印快速成形是一個(gè)涉及到多維度、多個(gè)軌跡參數(shù)以及多工藝參數(shù)的數(shù)字控制系統(tǒng)，其目標(biāo)是在實(shí)現(xiàn)成形過程自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，提高成形效率，實(shí)現(xiàn)最佳的成形質(zhì)量。設(shè)計(jì)的試驗(yàn)平臺(tái)的控制系統(tǒng)采用一臺(tái)高性能研華IPC-610工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的過程控制中心。通過相應(yīng)的接口電路控制各個(gè)子系統(tǒng)，通過IO接口板把驅(qū)動(dòng)脈沖送至步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，進(jìn)而控制各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)。

4.2 PCI-1245L運(yùn)動(dòng)控制卡

運(yùn)動(dòng)控制卡是實(shí)現(xiàn)運(yùn)功控制的底層軟件和硬件集成在一起的紐帶。本系統(tǒng)采用集成插補(bǔ)方式的運(yùn)動(dòng)控制卡為系統(tǒng)開發(fā)的基本硬件，X、Y、Z三軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器均采用PC+運(yùn)動(dòng)控制卡為上位機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制卡通過PCI插槽和IO口分別與計(jì)算機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行通訊，在此基礎(chǔ)上，組建金屬3D打印的控制系統(tǒng)。其中運(yùn)動(dòng)控制卡采用比較成熟的型號(hào)為PCI-1245L對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其最多可以控制4軸電機(jī)，脈沖輸出頻率高達(dá)1MPPS，可經(jīng)由跳線設(shè)置為單端輸出或差分輸出，且配有高性能FPGA，包括SoftMotion算法，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡和時(shí)間的控制，可以滿足同步運(yùn)動(dòng)需求。其運(yùn)動(dòng)控制卡原理結(jié)構(gòu)圖，如圖6所示。

圖6 運(yùn)動(dòng)控制卡原理結(jié)構(gòu)圖Fig.6 The Principle of Motion Control Card

4.3 控制系統(tǒng)的人機(jī)界面

整個(gè)軟件系統(tǒng)是運(yùn)用面向?qū)ο驝#語言進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)的，能快速開發(fā)出控制程序，并便于日后的調(diào)試維護(hù)。運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)下。軟件系統(tǒng)主要功能是讀取G代碼文件，根據(jù)待成形零件的分層打印數(shù)據(jù)，控制等離子弧焊設(shè)備、送絲機(jī)和三維機(jī)械臂協(xié)調(diào)工作；可以進(jìn)行模擬加工，對(duì)成形的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，并對(duì)故障狀態(tài)進(jìn)行處理，其界面，如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)人機(jī)界面Fig.7 Man-Machine Interface Control System

5 基礎(chǔ)工藝試驗(yàn)結(jié)果

利用以上設(shè)計(jì)的金屬3D打印系統(tǒng)，經(jīng)過多次的試驗(yàn)研究，得到了合適的工藝參數(shù)[9]，如表1所示。并在該合適工藝條件下對(duì)焊道之間的搭接率[10]和單道多層進(jìn)行研究，在40%的搭接率下，兩平行焊道之間能良好的結(jié)合；在堆焊層數(shù)大于等于5層時(shí)，焊道的寬高值趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)研究過程中，在不改變其他影響因素的情況下，發(fā)現(xiàn)掃描速度與送絲速度之間存在一定的關(guān)系，主要通過實(shí)驗(yàn)得到的焊道寬度和高度的改變表現(xiàn)出來。在實(shí)際應(yīng)用中，往往通過給定的焊縫高度值來確定速度參數(shù)，因此在以上實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，使用MATLAB的擬合工具箱對(duì)焊縫高度為1.5mm下的相對(duì)應(yīng)的送絲速度和掃描速度近似曲線擬合和回歸分析，如表2所示。得到了4階擬合符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，擬合結(jié)果，如圖8所示。其4階擬合方程為：

式中：y—送絲速率；x—掃描速率，5個(gè)系數(shù)分別為p1=-179.2，p2=686.9，p3=-954.8，p4=576.6，p5=-122.5。

表1 單道單層的合適的工藝參數(shù)Tab.1 Suitable Process Parameters of Single Channel Monolayer

表2 送絲速率x和掃描速率y單位：mm/sTab.2 Wire Feed Rate of X and Scanning Rate of Y

圖8 送絲速度和掃描速度的3階和4階曲線圖Fig.8 Wire Feeding Speed and the Scanning Speed Curve of Order 3 and 4 Order

6 結(jié)語

基于微束等離子金屬3D打印試驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建是一個(gè)集微束等離子焊接工藝、數(shù)字控制和3D打印技術(shù)的綜合系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)微束等離子弧焊裝置、三維機(jī)械臂、送絲機(jī)和配套工控機(jī)的集成控制。

通過試驗(yàn)，得出該系統(tǒng)能有效的控制成形過程中的各種規(guī)范參數(shù)，通過對(duì)單道焊道的各因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出掃描速度與送絲速度之間的曲線關(guān)系，并對(duì)焊道間的搭接率進(jìn)行了研究，得到了較好成形表面下的搭接率，為后續(xù)直接成形金屬提供了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。