張紹和，蘇 舟，劉磊磊，孔祥旺，何 燾

(1. 有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410083)(2. 中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長沙 410083)

1 3D打印主要工藝方法

金屬零件3D打印技術(shù)作為整個3D打印體系中最為前沿和最具潛力的技術(shù)，是當(dāng)前先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向[1-2]。目前，能夠穩(wěn)定應(yīng)用于金屬零件制造的3D打印工藝主要是電子束選區(qū)熔化(EBM)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、選擇性激光熔化成型(SLM)和激光熔覆沉積(LENS)這4類技術(shù)[3]，其基本工藝原理均依賴于能耗極高且耐用性差的激光束或電子束發(fā)射器，在設(shè)備購置以及后續(xù)維護(hù)過程中均會產(chǎn)生高昂的費(fèi)用。在這4類3D打印工藝技術(shù)之外，目前熔融沉積成型(FDM)打印工藝也逐漸被應(yīng)用于金屬零件的制造中。劉斌等[4]提出了一種基于FDM的金屬3D打印技術(shù)，即使用FDM打印金屬/高分子復(fù)合材料，得到的打印生坯片通過脫脂和燒結(jié)等后處理成為金屬零件。這項(xiàng)技術(shù)通常被稱為熔融沉積成型燒結(jié)(FDMS)工藝，其成型原理、所需成型材料和打印工藝所需要的設(shè)備均與上述4類3D打印技術(shù)有較大差別。

2 3D打印金剛石工具的可行性

傳統(tǒng)金剛石工具制備方法，如燒結(jié)、電鍍、釬焊等，難以制造異型、超薄、微型的金剛石工具，因此引入3D打印技術(shù)可以為金剛石工具的制造提供一種新的工藝方法[6]。目前能夠用于金屬零件制造的3D打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，這為金剛石工具的3D打印制造提供了有利條件。

張紹和等[6]系統(tǒng)性地論述了3D打印技術(shù)在金剛石工具制造中的應(yīng)用，總結(jié)了3D打印技術(shù)應(yīng)用于金剛石工具制造中需要注意以及解決的關(guān)鍵問題。WU等[7]采用SLS成型技術(shù)打印出以CoCrMo合金為胎體材料的超薄金剛石鋸片，對其進(jìn)行了性能測試和巖石切削試驗(yàn)等，進(jìn)一步證實(shí)了3D打印技術(shù)可應(yīng)用在超薄金剛石鋸片制造中。

基于上述研究基礎(chǔ)，本試驗(yàn)探索用FDMS工藝來制造金剛石超薄片，其工藝流程如圖1所示[1]。目前FDMS金屬零件制造的相關(guān)研究處于起步階段。LIU等[8]嘗試使用FDMS工藝打印了316L不銹鋼零件，對零件的硬度、拉伸性能、相對密度、收縮率等進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)FDMS工藝制造的金屬零件內(nèi)部孔隙率較高，導(dǎo)致其機(jī)械性能有所降低。GONG等[9]對比了SLM工藝與FDMS工藝在316L不銹鋼零件制造中的表現(xiàn)，并根據(jù)零件的微觀特征分析了其收縮率，初步討論了如何針對不同零件材料在2種工藝中進(jìn)行選擇。TAKASHI等[10]研究了FDMS的打印參數(shù)對316L不銹鋼零件機(jī)械性能和收縮性能的影響，其在3個不同的層方向上打印樣品，發(fā)現(xiàn)以垂直于拉伸方向的層方向打印樣品，能夠獲得最高極限強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變，并通過SEM觀察分析了性能各向異性的原因。這些研究都為FDMS工藝在金剛石工具制造中的應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支持。

SLS工藝已證實(shí)能夠應(yīng)用于金剛石工具制造，且可發(fā)揮自身優(yōu)勢制造出傳統(tǒng)工藝難以完成的超薄金剛石鋸片。但其設(shè)備昂貴、制造效率低等特點(diǎn)限制了其在工業(yè)化批量生產(chǎn)中的應(yīng)用，因此可考慮利用FDMS工藝來彌補(bǔ)該不足。下面對超薄金剛石鋸片的SLS制造工藝[7]和自研的FDMS制造工藝從設(shè)備儀器、工藝原理、具體步驟等角度進(jìn)行全面的對比。

圖1 FDMS工藝流程圖Fig. 1 Process chart of FDMS

3 SLS制造超薄金剛石鋸片工藝

設(shè)備儀器：SLS激光掃描成型機(jī)。其主要包括激光掃描系統(tǒng)、振鏡系統(tǒng)(更改激光掃描路徑)、預(yù)熱裝置、供粉缸和工作缸自動控制系統(tǒng)、操作系統(tǒng)以及其他輔助系統(tǒng)(冷卻、密封、集粉、照明等)。

工藝原理：激光束在計(jì)算機(jī)控制下，按照截面輪廓信息，對粉末進(jìn)行掃描；被激光掃描到的區(qū)域，粉末的溫度升至熔化點(diǎn)，粉末之間的接觸區(qū)域發(fā)生黏結(jié)；燒結(jié)的驅(qū)動力為粉末顆粒表面自由能的降低[11-12]；未被掃描到的區(qū)域，粉末仍然處于松散狀態(tài)，作為鋸片工件和下一層粉末的支撐。激光燒結(jié)使得粉末顆粒之間徹底黏結(jié)變?yōu)榫Я５木劢Y(jié)體，使其致密化、合金化，從而獲得其所需的物理和機(jī)械性能。

具體操作步驟如下：

(1)根據(jù)鋸片的結(jié)構(gòu)要求在計(jì)算機(jī)中使用三維建模軟件(例如Solidworks等)建立鋸片的模型。

(2)將模型文件導(dǎo)入切片軟件中進(jìn)行切片處理，按照一定規(guī)則將模型離散為有序單元，可在切片軟件中設(shè)置其成型方向、成型路線、粉層厚度、激光功率、掃描速度等參數(shù)，設(shè)置完成后導(dǎo)入SLS激光成型機(jī)中。

(3)將準(zhǔn)備好的工作層胎體粉末(金屬或金屬合金粉末與金剛石的混合料)放入供粉缸中；開始打印時(shí)，鋪粉滾筒會將供粉缸中預(yù)熱的工作層胎體粉末均勻地鋪放于成形缸中的基板上，將混合粉末鋪設(shè)成厚度為0.05 mm的粉層(粉層厚度應(yīng)等于對應(yīng)模型切片層的厚度)，激光束根據(jù)計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)信息燒結(jié)粉層，完成第一個層面的燒結(jié)。

(4)成形缸活塞下降0.05 mm，供粉缸活塞上升0.05 mm，鋪粉滾筒再次將粉末鋪平，激光束依照計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)信息燒結(jié)第二層。

(5)重復(fù)上述工藝步驟，直至鋸片實(shí)體打印完成，冷卻后即得到成品，如圖2所示。

圖2 SLS制造的厚度為0.2 mm的CoCrMo超薄金剛石鋸片實(shí)物圖Fig. 2 0.2 mm CoCrMo-based ultra thin diamond saw blade made by SLS

4 FDMS制造超薄金剛石鋸片工藝

設(shè)備儀器：金屬粉末密煉機(jī)、單螺桿擠出造粒機(jī)、顆粒喂料型FDM打印機(jī)(包括喂料系統(tǒng)、機(jī)械傳動裝置、噴嘴、加溫模塊、打印平臺等)、粉末冶金制品燒結(jié)爐。

工藝原理：金屬或金屬合金粉末、金剛石、黏結(jié)劑在密煉機(jī)的混煉室中形成均勻分布的狀態(tài)，并在剪切、擠壓的作用下逐步塑化，具備一定可流動性。密煉結(jié)束后將混合料放入單螺桿擠出造粒機(jī)中，在螺桿的擠壓作用下進(jìn)一步密實(shí)、塑化，擠出后切割造粒。顆粒打印材料送入FDM打印機(jī)中，在加溫模塊的加熱下熔融成黏流態(tài)，從噴嘴中擠出，涂敷在工作臺并在冷卻后形成第一層打印層，重復(fù)打印步驟直到設(shè)定的層數(shù)，最終獲得打印生坯片。將打印生坯片置于粉末冶金制品燒結(jié)爐中并在設(shè)定的工藝條件下脫脂、燒結(jié)，生坯片的粉末顆粒之間逐漸黏結(jié)為晶粒聚結(jié)體，形成致密化和合金化較好的、具有一定物理性能和力學(xué)性能的制品。

具體步驟如下：

(1)將準(zhǔn)備好的金屬或金屬合金粉末(以CoCuSn合金粉末為例)與金剛石按一定比例混合均勻，放入密煉機(jī)中在預(yù)設(shè)溫度下進(jìn)行密煉(圖3a)，一段時(shí)間后加入按一定比例調(diào)配好的以聚乙二醇(PEG)為主要成分的水溶性黏結(jié)劑，繼續(xù)密煉，根據(jù)密煉效果調(diào)整黏結(jié)劑的用量。

(2)將密煉后得到的混合料破碎(圖3b)，送入造粒機(jī)中造粒后即得到顆粒狀的打印材料(圖4)。

(a)密煉過程中的混合粉末 The mixed powder in the process of internal mixing(b)密煉結(jié)束經(jīng)過破碎后的混合粉末Crushed mixed powder after internal mixing圖3 不同狀態(tài)下的混合粉末示意圖Fig. 3 Mixed powder in different processes

圖4 造粒后得到的顆粒狀打印材料Fig. 4 Granular printing material after granulation

(3)根據(jù)鋸片的結(jié)構(gòu)要求在計(jì)算機(jī)中使用三維建模軟件(例如Solidworks等)建立鋸片的模型文件。

(4)將模型文件導(dǎo)入切片軟件中進(jìn)行切片處理，按照一定規(guī)則將模型離散為有序單元，并在切片軟件中設(shè)置成型方向、成型路線、打印層厚、噴嘴移動速度和出料速度等參數(shù)。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置打印速度為40 mm/s，打印層厚為0.1 mm，噴嘴溫度160 ℃，平臺溫度90 ℃，設(shè)置完成后導(dǎo)入打印精度為0.1 mm的FDM打印機(jī)中。

(5)將準(zhǔn)備好的顆粒狀打印材料放入供粉缸中，直接開始打印，等待其自動打印完畢，冷卻后取出即得到打印生坯片(圖5)。

(6)將打印生坯片轉(zhuǎn)移到水浴脫脂設(shè)備中，維持60 ℃水溫進(jìn)行脫脂，脫脂結(jié)束后取出置于烘干機(jī)中在90 ℃下烘干。烘干結(jié)束后轉(zhuǎn)移到粉末冶金制品燒結(jié)爐中，在840 ℃、65 MPa的工藝條件下進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，燒結(jié)冷卻出爐即得到成品(圖6)。

(a)打印過程中 During printing(b)打印完成后After printing圖5 FDM打印0.5 mm厚CoCuSn基超薄金剛石生坯片F(xiàn)ig. 5 0.5 mm CoCuSn-based ultra-thin diamond green sheet made by FDM

圖6 燒結(jié)完成的厚度為0.2 mm的CoCuSn基超薄金剛石鋸片F(xiàn)ig. 6 0.2 mm CoCuSn-based ultra thin diamond saw blade after sintering

5 FMDS工藝物理和力學(xué)性能測試

為了探討FDMS工藝所制造出的超薄金剛石鋸片是否具有能夠匹配傳統(tǒng)粉末熱壓燒結(jié)工藝的力學(xué)性能，對2種工藝采用相同的燒結(jié)參數(shù)制造出30.0 mm×12.0 mm×2.5 mm的含金剛石與不含金剛石的2組相同配方、相同質(zhì)量的力學(xué)性能測試試樣進(jìn)行對比，所制得的試樣如圖7所示。

圖7 力學(xué)性能測試試樣Fig. 7 Samples for mechanical properties test

燒結(jié)溫度梯度為820、830、840、850、860 ℃，壓力設(shè)置為65 kN。對所有試樣計(jì)算密實(shí)度，對空白試樣進(jìn)行硬度測試，對含金剛石試樣進(jìn)行抗彎強(qiáng)度測試，最大程度模擬超薄金剛石鋸片的抗彎性能。所有值均在數(shù)值穩(wěn)定的測試試樣中取平均值，結(jié)果如表1所示。

表1 物理和力學(xué)性能對比

在840 ℃時(shí)，F(xiàn)DMS工藝制備的試塊和傳統(tǒng)粉末熱壓燒結(jié)所制備的試塊均獲得最優(yōu)物理和力學(xué)性能，即硬度、抗彎強(qiáng)度和密實(shí)度均達(dá)到最大值。FDMS所制試塊的硬度、抗彎強(qiáng)度和密實(shí)度始終低于傳統(tǒng)粉末熱壓燒結(jié)試塊的。二者的硬度和密實(shí)度差別較小，抗彎強(qiáng)度差距較大。超薄金剛石鋸片在正常工作中往往以崩壞、翹曲變形等方式失效，因此抗彎強(qiáng)度是其最重要的力學(xué)性能。

最優(yōu)燒結(jié)溫度下，F(xiàn)DMS試塊的硬度、密實(shí)度和抗彎強(qiáng)度較傳統(tǒng)粉末熱壓燒結(jié)試塊僅下降了0.84%、0.79%和4.30%。這說明添加、去除黏結(jié)劑等步驟對試樣的密實(shí)度帶來的負(fù)面影響(包括可能殘留的黏結(jié)劑、形成的孔隙以及連通孔道等等)在熱壓燒結(jié)后幾乎能夠完全消除。綜合來看，在選擇恰當(dāng)?shù)臒Y(jié)工藝時(shí)，F(xiàn)DMS工藝所制備的產(chǎn)品的硬度、抗彎強(qiáng)度、密實(shí)度盡管稍低于傳統(tǒng)工藝，但仍能滿足正常使用的需要。

6 結(jié)果與討論

6.1 成型材料對比

當(dāng)環(huán)境溫度超過金剛石的熱穩(wěn)定溫度時(shí)，金剛石的強(qiáng)度明顯下降[14]，這會對金剛石鋸片的性能產(chǎn)生極大影響。據(jù)SLS工藝原理，需要將金屬粉末加熱至其熔點(diǎn)，激光溫度參數(shù)將根據(jù)實(shí)際金屬材料的熔點(diǎn)來調(diào)整。若胎體配方中含有熔點(diǎn)極高的金屬材料，則其會破壞金剛石的熱穩(wěn)定性，因此SLS工藝有可能導(dǎo)致金剛石工具的質(zhì)量降低。為保證成品的質(zhì)量，一方面可以選擇熱穩(wěn)定性較好的金剛石，另一方面可以優(yōu)化激光燒結(jié)參數(shù)，避免因激光燒結(jié)參數(shù)選擇不當(dāng)而導(dǎo)致金剛石碳化的情況發(fā)生。而FDMS工藝所需要的最高溫度尚不足以破壞金剛石的熱穩(wěn)定性，能夠最大限度地保留工具中金剛石的強(qiáng)度及其他性能。

金屬粉末的顆粒形狀會直接影響粉末的流動性、松裝密度等[15]，進(jìn)而對所制備金屬零件的性能產(chǎn)生影響，且金屬粉末的大顆粒與小顆粒要以適當(dāng)?shù)谋壤旌喜拍艿玫礁哔|(zhì)量的3D打印金屬產(chǎn)品。金屬粉末顆粒的表面結(jié)構(gòu)形貌以及粒度等性質(zhì)也會對黏結(jié)劑體系的選擇產(chǎn)生重要影響。如何選擇恰當(dāng)?shù)酿そY(jié)劑體系也是FDMS工藝需要解決的關(guān)鍵問題。黏結(jié)劑會影響粉末的顆粒裝填、團(tuán)聚、混料、流變特性，成品的成形、脫脂、毛坯強(qiáng)度、尺寸精度、產(chǎn)品內(nèi)部缺陷以及最終化學(xué)成分，因而對黏結(jié)劑的要求包括流動特性、脫脂特性以及與金屬粉末的相互作用等方面。

6.2 成本與實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用

FDM打印機(jī)的價(jià)格相對低廉，而一臺SLS激光燒結(jié)設(shè)備的價(jià)格幾乎等于FDMS工藝所需要的全部設(shè)備價(jià)格的總和。SLS工藝較難應(yīng)用于批量化生產(chǎn)制造，其更適合于室內(nèi)材料測試、研發(fā)等用途。FDMS工藝應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，可以將數(shù)十片、數(shù)百片經(jīng)FDM打印的生坯片一起放入粉末冶金制品燒結(jié)爐中進(jìn)行脫脂、燒結(jié)，因此可有效提高生產(chǎn)效率，且FDM打印機(jī)價(jià)格低廉，僅為1 000～2 000元/臺。

能耗方面，以SLS法制造CoCrMo基金剛石鋸片為例[13]，其單片打印就需要保持近3 000 ℃高溫持續(xù)工作直到打印完畢。而FDMS工藝的主要能源消耗產(chǎn)生在密煉、擠出造粒和燒結(jié)環(huán)節(jié)中。

6.3 關(guān)鍵問題討論

(1)經(jīng)測試，SLS和FDMS 2類3D打印技術(shù)在超薄金剛石鋸片制造上均穩(wěn)定性不足。在進(jìn)行超薄金剛石鋸片的FDM打印測試時(shí)發(fā)現(xiàn)，生坯片打印厚度在0.3 mm以上時(shí)成功率較高，生坯片打印厚度降低至0.3 mm及以下時(shí)成功率顯著降低，分析其原因是測試用FDM打印機(jī)的精度達(dá)不到要求。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，同樣厚度下打印生坯片的打印層數(shù)設(shè)置越多，其各方面性能就越穩(wěn)定。例如，在打印0.2 mm厚度的超薄片時(shí)，其打印參數(shù)可以設(shè)置為2層0.1 mm的打印層，也可以設(shè)置為4層0.05 mm的打印層，后者的穩(wěn)定性會更佳，但對成型設(shè)備的精度有更高要求。

(2)金屬基超薄片在打印完成后缺乏有效的剝離手段，這也是超薄片打印厚度越小成功率越低的重要原因。打印完成初始，超薄生坯片附著在打印平臺上，二者間的黏結(jié)力會隨著冷卻時(shí)間的延長而不斷增大，因此其不宜在打印平臺上放置過久。但此時(shí)生坯片內(nèi)部熱量還未散去，強(qiáng)度較低，剝離過程中有可能造成其內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，嚴(yán)重者表面直接發(fā)生破裂。

(3)FDMS工藝在脫脂、燒結(jié)環(huán)節(jié)會將生坯片中的黏結(jié)劑材料脫除，并使其內(nèi)部的粉末顆粒結(jié)晶致密化，因此生坯片會產(chǎn)生一定的收縮(如圖6)。其收縮比和收縮方向與金屬材料、黏結(jié)劑組分及比例、燒結(jié)氣氛、燒結(jié)溫度、打印參數(shù)和壓力等因素均有關(guān)。這導(dǎo)致了成品尺寸的控制精度有所下降，要實(shí)現(xiàn)精確控制，需多次試驗(yàn)找尋其收縮規(guī)律。

(4)用掃描電子顯微鏡觀察FDMS試樣的斷口形貌，如圖8所示。從圖8可以看出：熱壓燒結(jié)后的試樣仍能夠清晰地看到FDM打印留下的層狀紋理，且層間距、方向均較為一致，即試樣內(nèi)部發(fā)生的收縮較為均勻?？傮w看來，該配方材料在該燒結(jié)工藝條件下所制造出的試樣的組織均勻度較好。但試樣組織均勻度的變化規(guī)律與燒結(jié)爐中施加的溫度、壓力等參數(shù)之間的關(guān)系仍需要后續(xù)試驗(yàn)來進(jìn)一步探索。

圖8 FDMS試樣斷口形貌Fig. 8 Fracture morphology of FDMS samples

7 結(jié)論

(1)FDMS工藝能夠制造出合金化和致密化較好的CoCuSn超薄金剛石鋸片。密實(shí)度是超薄金剛石鋸片較為重要的物理性能，而FDMS工藝最終成品的收縮率會對其密實(shí)度有較大影響，因此其收縮控制是后續(xù)研究工作的重心。

(2)使用FDMS工藝制造出的CoCuSn基金剛石復(fù)合材料試樣能夠具備較好的組織均勻性，但在相同配方和最優(yōu)燒結(jié)溫度下，其硬度、抗彎強(qiáng)度和密實(shí)度較于傳統(tǒng)粉末熱壓燒結(jié)工藝所制試樣分別下降了0.84%、4.30%和0.79%，表明FDMS工藝仍有不少優(yōu)化空間。

(3)不管在打印參數(shù)精度還是成品尺寸控制精度上SLS工藝都要優(yōu)于FDMS工藝。SLS工藝流程較為簡潔，只需要一臺SLS激光成型機(jī)即可完成超薄金剛石鋸片的制造，其更適合于室內(nèi)研發(fā)等用途。FDMS工藝流程環(huán)節(jié)多且每個環(huán)節(jié)均需單獨(dú)的設(shè)備并優(yōu)化工藝參數(shù)。但FDMS工藝具備批量生產(chǎn)性能相對一致產(chǎn)品的能力。