韓國梁，石文天，韓玉凡，劉玉德

（北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048）

新興的增材制造（3D打印）技術(shù)是先進(jìn)信息技術(shù)、制造技術(shù)與新材料技術(shù)等多學(xué)科融合發(fā)展的一種新興工業(yè)制造技術(shù)。被業(yè)界認(rèn)為是“21世紀(jì)十大顛覆性技術(shù)之一”和“將要改變世界的技術(shù)”，并會引領(lǐng)“第三次工業(yè)革命”。典型的金屬增材制造方法，和傳統(tǒng)加工方式相比具有成型高致密度、力學(xué)性能優(yōu)異、可制備復(fù)雜零件和節(jié)省材料等諸多優(yōu)勢，非常適合應(yīng)用于注重輕量化、個性化的復(fù)雜模具、航空航天、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域。

在SLM技術(shù)運(yùn)用于生產(chǎn)過程中會遇到各種復(fù)雜零件，這些零件中會包含許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其中典型的有：懸垂結(jié)構(gòu)、薄壁結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)等。這些結(jié)構(gòu)在成形過程中經(jīng)常會出現(xiàn)各種缺陷從而影響最終金屬零件的成型質(zhì)量，因此解決這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形質(zhì)量對于保證復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的質(zhì)量具有重要的意義。本文將本文根據(jù)國內(nèi)外研究報道，系統(tǒng)地綜述了金屬材料增材制造成型成型薄壁結(jié)構(gòu)、懸垂結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)的研究并提出了今后的研究展望。

1 薄壁結(jié)構(gòu)

薄壁零件通常都要求質(zhì)量輕、精度高、壁厚薄。因此在采用SLM技術(shù)制造薄壁零件時薄壁零件的尺寸精度和力學(xué)性能就是影響零件質(zhì)量的關(guān)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(zhì)量，不同特性的粉末對鋪粉效果有著很大的影響，粉末團(tuán)聚將。為了解決薄壁應(yīng)力復(fù)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(yīng)力進(jìn)行了模擬，研究了各參數(shù)對成形過程中溫度梯度和應(yīng)力的影響。發(fā)現(xiàn)了成形區(qū)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(yīng)力進(jìn)行分析時得到了應(yīng)力主要分布在薄壁兩側(cè)和頂部，其中兩側(cè)應(yīng)力主要以Z方向為主，頂部應(yīng)力則以X方向應(yīng)為主的結(jié)論。根據(jù)結(jié)論他們提出了多熔道薄壁成形時對薄壁兩側(cè)添加支撐和分區(qū)域掃描的策略，經(jīng)過試驗后得到了較好的成形效果。王飛俊[2]等人研究發(fā)現(xiàn)薄壁結(jié)構(gòu)變形主要在薄壁件頂部，最大殘余應(yīng)力主要分布在試件與薄壁件中間。

2 多孔結(jié)構(gòu)

多孔結(jié)構(gòu)（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(gòu)成的相互聯(lián)結(jié)的網(wǎng)絡(luò)體[3]。傳統(tǒng)制造技術(shù)經(jīng)常使用粉末冶金、聚合物發(fā)泡法、熱噴涂等加工技術(shù)來生產(chǎn)多孔結(jié)構(gòu)。表征多孔結(jié)構(gòu)幾何特性的主要參數(shù)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(jié)構(gòu)作為一種特殊結(jié)構(gòu)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(dú)特的優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、化工、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。SLM技術(shù)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(xì)的結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比有獨(dú)特的優(yōu)勢[9，10]。

與其他兩種結(jié)構(gòu)相比較，多孔結(jié)構(gòu)本身比較復(fù)雜，樣件模型設(shè)計也是一項重要研究內(nèi)容。概率球模型可以有效地控制點陣的不規(guī)則度，實現(xiàn)某個方向上具有梯度孔隙率的多孔結(jié)構(gòu)建模；同時研究了可控多孔結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的變化規(guī)律，優(yōu)化了多孔結(jié)構(gòu)SLM制造工藝，并對多孔結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行檢測，得到了符合設(shè)計目標(biāo)的多孔結(jié)構(gòu)。在不影響內(nèi)部點陣排列結(jié)構(gòu)的前提下，通過對三維模型的底面點陣進(jìn)行適當(dāng)裁減，增大底面與基材的接觸面積，實現(xiàn)增加結(jié)構(gòu)體與金屬材料增材粘合力的目的并保證了結(jié)構(gòu)體的成形效果。

3 懸垂結(jié)構(gòu)

懸垂結(jié)構(gòu)在復(fù)雜零件內(nèi)是常見的結(jié)構(gòu)類型，如內(nèi)孔、水平外表面。懸垂結(jié)構(gòu)又分為水平懸垂結(jié)構(gòu)和非水平懸垂結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)零件。針對這些問題常見的解決方法有添加支撐、通過調(diào)整參數(shù)或者改變成形方向等方法來減少懸垂結(jié)構(gòu)的缺陷產(chǎn)生。

在懸垂結(jié)構(gòu)中添加支撐結(jié)構(gòu)作用主要包括[11-13]：承接下一層粉末層，防止出現(xiàn)塌陷；在抑制成型過程中由于受熱和冷卻產(chǎn)生的應(yīng)力收縮，減少翹曲發(fā)生；連接上方新成形的部分防止發(fā)生變形。陳超[14]等人通過對SLM打印懸垂結(jié)構(gòu)過程中出現(xiàn)的變形問題進(jìn)行分析，總結(jié)了手動添加支撐的基本規(guī)律，并且通過ANSYS Additive軟件分別對手動和自動添加的支撐結(jié)構(gòu)及零件結(jié)構(gòu)成型過程中的變形進(jìn)行模擬仿真，驗證支撐添加規(guī)律的正確性，大幅減少支撐面積。F.Calignano[15]等人對懸垂結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)的類型進(jìn)行了研究，確定了最優(yōu)自支撐懸臂結(jié)構(gòu)，同時也對零部件成形方向?qū)Y(jié)果的影響進(jìn)行了研究分析，并通過試驗驗證了結(jié)果的可行性。HAO L[16-17]等研究了零部件成形方向?qū)Y(jié)構(gòu)的影響，對支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，提出了新型多孔結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)型。張小川[18]等人通過試驗和仿真手段研究了懸垂結(jié)構(gòu)成形中的應(yīng)力分布規(guī)律，提出了非均勻支撐分布的設(shè)計思路，設(shè)計了一種基于正態(tài)分布的支撐布置形式，實現(xiàn)了支撐分布的優(yōu)化設(shè)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(yīng)力，當(dāng)激光功率與掃描速度比值不變時，懸垂結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的精度和表面質(zhì)量。并提出了“回”字形完全填充掃描策略，并進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jié)語

國內(nèi)外學(xué)者對這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)研究比較全面且深入，結(jié)合了不同學(xué)科內(nèi)容來研究SLM成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的基理，探尋缺陷產(chǎn)生的原因，并通過仿真與試驗相結(jié)合的方法不斷優(yōu)化工藝過程。對于這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)仍然存在一些問題需要進(jìn)一步深入研究：①薄壁結(jié)構(gòu)的壁厚較薄，需要開發(fā)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(shè)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(jié)構(gòu)需要開發(fā)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(jìn)行交互；同時多孔結(jié)構(gòu)上粘粉現(xiàn)象嚴(yán)重導(dǎo)致尺寸精度較差，仍需進(jìn)一步研究改善。③需要設(shè)計出一種適合懸垂結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)簡單易去除的支撐結(jié)構(gòu)；極限成形角度附近的成形效果仍需進(jìn)一步優(yōu)化，減少懸垂結(jié)構(gòu)支撐使用量。④探索包含多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用，總結(jié)出一套具有普適性的SLM制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工工藝。