許中明，楊 亙，王鴻博

（順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，廣東 佛山 528333）

冷噴涂沉積金屬3D 打印技術(shù)起源自冷噴涂技術(shù)（Cold Gas Dynamic Spray）［1］，其成型時金屬粉末顆粒溫度低，噴涂全過程顆粒保持固態(tài)，因此該技術(shù)具有工件材料的化學(xué)成分和組織與顆粒原材料一致、結(jié)構(gòu)致密、孔隙率低、成型速度快等突出優(yōu)點(diǎn)，避免出現(xiàn)常用金屬3D 打印技術(shù)例如選區(qū)激光燒結(jié)/熔化技術(shù)、直接金屬粉末激光燒結(jié)、電子束選區(qū)熔化技術(shù)等在成型時容易產(chǎn)生殘留應(yīng)力并導(dǎo)致工件變形甚至開裂等問題［2］，因此受到各國研究人員的重視，成為金屬3D 打印技術(shù)中最具前景的發(fā)展方向之一［3-4］，2017 年澳大利亞SPEE3D 公司的Kennedy和Camilleri 率先開發(fā)出基于冷噴涂技術(shù)的金屬3D 打印機(jī)。目前冷噴涂沉積金屬3D 打印研究尚處在前期，打印出來的工件還比較粗糙，需對冷噴涂的機(jī)理和相關(guān)參數(shù)的影響進(jìn)行深入研究［4-6］，以提高打印的精度和表面質(zhì)量?；诖?，本文研究冷噴涂沉積金屬3D 打印成型時截面輪廓的計(jì)算方法及噴涂參數(shù)對成型表面質(zhì)量的影響。

1 冷噴涂沉積成型截面輪廓計(jì)算模型

1.1 冷噴涂沉積成型的特點(diǎn)與計(jì)算模型

冷噴涂沉積金屬3D 打印技術(shù)是根據(jù)氣體動力學(xué)理論開發(fā)的一種新型增材制造技術(shù)，它是將高壓氣體如氦氣、氮?dú)?、空氣或它們之間的混合氣體直接輸入或經(jīng)過加熱后輸入拉瓦爾噴管型打印噴嘴，經(jīng)拉瓦爾噴管加速后形成超音速氣流，驅(qū)動溫度不超過600 ℃的金屬粉末顆粒以極高的速度碰撞到成型基板，使金屬粉末顆粒產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，從而沉積在基板表面逐漸形成所需工件，如圖1 所示。

圖1 金屬冷噴涂沉積3D 打印示意圖

要分析冷噴涂沉積金屬3D 打印表面的質(zhì)量，就必須計(jì)算出每次掃描時的截面輪廓。與FDM、SLM等金屬成型工藝不同，冷噴涂沉積成型過程中，金屬粉末噴射到基板表面時在噴射范圍內(nèi)的分布并不均勻。以工程中常用的圓形拉瓦爾噴嘴為例，這種不均勻包括兩個方面：

1）噴嘴作直線掃描成型時，由于噴嘴是圓形，如圖2a 所示，以掃描時經(jīng)過的A-A 截面上的B 點(diǎn)處為例，噴嘴掃描時經(jīng)過該點(diǎn)的行程等于C-C 直線的距離。點(diǎn)所在位置距掃描中心線越近，噴嘴作用行程越大，沉積的金屬粉末相應(yīng)也越多，垂直于掃描方向的截面上各點(diǎn)噴嘴作用行程如圖2b 所示。

2）圓形噴嘴在某一瞬時噴射沉積到基板或工件上的金屬粉末分布范圍也是呈圓形，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)知識，在該圓形噴涂范圍內(nèi)沉積的這些數(shù)量眾多的金屬粉末顆粒，其密度符合正態(tài)分布［7］，如圖2c所示。

因此，冷噴涂成型截面輪廓的計(jì)算，可按截面上相應(yīng)位置的金屬粉末密度分布值與金屬粉末直徑乘積，再乘上該位置的噴嘴掃描行程得到，如圖2d所示。

圖2 冷噴涂成型截面輪廓計(jì)算模型圖

1.2 計(jì)算公式推導(dǎo)

根據(jù)前面的計(jì)算模型，可對冷噴涂成型截面輪廓進(jìn)行計(jì)算。冷噴涂成型時截面某點(diǎn)處的沉積輪廓高度與該點(diǎn)處金屬粉末沉積量及顆粒直徑成正比，而金屬粉末沉積量與噴涂時單位時間送粉量、金屬粉末密度分布、該位置的噴涂圓掃描行程成正比，與噴頭掃描速度成反比，由此可得到打印噴頭作直線掃描時成型截面輪廓的計(jì)算公式：

式中，k為噴涂沉積系數(shù)，與金屬粉末顆粒大小、種類、氣體壓力、噴頭形狀等有關(guān)；q為單位時間送粉量，單位mm3/s；v為噴頭掃描速度，單位mm/s；s為噴涂圓掃描行程，單位mm；z（x）為金屬粉末的分布密度。

如圖2c 所示，噴涂時沉積的金屬粉末趨近正態(tài)分布，即沉積的金屬粉末在噴涂圓內(nèi)的分布密度為：

式中，σ為正態(tài)分布的均方差。

如圖2a 所示，噴頭作直線掃描時，噴涂圓掃描經(jīng)過A-A 線沿x方向各點(diǎn)的掃描行程s為：

式中，d為瞬時噴涂圓直徑，單位mm。對連續(xù)噴涂成型時，d=B，B為噴涂線寬，單位mm。

將式（2）、式（3）代入式（1），可得到噴頭作單次直線掃描時截面沉積輪廓的計(jì)算公式：

工程實(shí)際中，冷噴涂沉積通常由多次噴涂掃描形成表面，此時成型截面輪廓由多個單次掃描輪廓疊加，即

式中，p為各次掃描之間的行距，單位mm；n為掃描次數(shù)。

1.3 計(jì)算公式驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的可行性，根據(jù)式（4）計(jì)算出噴頭作單次直線掃描時截面沉積輪廓，如圖3a 所示。計(jì)算時參數(shù)取值為：B=1.3 mm，k=0.95，q=10 mm3/s，v=10 mm/s。將圖3a 與田小永等人所做的試驗(yàn)結(jié)果圖3b［9］進(jìn)行對比，可以看出輪廓基本一致，證明本文所提出的計(jì)算模型可行。

圖3 冷噴涂成型截面輪廓計(jì)算值與試驗(yàn)值對比

2 噴涂參數(shù)對成型表面質(zhì)量的影響

根據(jù)式（4）和式（5），可計(jì)算出冷噴涂沉積金屬3D 打印成型時截面輪廓尺寸，從而研究噴涂參數(shù)對成型表面質(zhì)量的影響。

2.1 噴涂行距的影響

平面是工件最常見的表面類型，其表面質(zhì)量是評價冷噴涂沉積成型質(zhì)量的一項(xiàng)重要內(nèi)容。按式（4）和式（5）計(jì)算出行距p分別為0.15 mm、0.2 mm、0.25 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm 時截面輪廓，計(jì)算時為方便判斷行距與噴涂寬度的倍數(shù)關(guān)系取噴涂寬度B=1 mm，每個行距值進(jìn)行7 次掃描疊加，掃描位置依次按-3p、-2p、-1p、0、1p、2p、3p，其他參數(shù)取值為：k=0.12，q=10 mm3/s，v=10mm/s。計(jì)算結(jié)果見圖4。

從圖4 可看出：1）行距在0.3～0.4 mm，即對應(yīng)0.3～0.4 d 時截面輪廓線較平整，此時平面度最好，若行距增加或減小平面度會變差；2）行距越小，噴涂范圍越集中，截面高度也就越大，但此時斜面影響范圍大，邊緣效應(yīng)嚴(yán)重。

圖4 噴涂行距對成型表面平面度的影響

2.2 單位時間送粉量與掃描速度的影響

噴涂沉積截面輪廓高度與單位時間送粉量成正比，與噴頭掃描速度成反比，實(shí)際上直接影響成型效率與質(zhì)量的是單位時間送粉量與掃描速度的比值。按式（4）和式（5）計(jì)算出單位時間送粉量與掃描速度比值q/v分別為0.10、0.15、0.20、0.25、0.30時的截面輪廓，計(jì)算時噴涂寬度B=1 mm，k=0.12。計(jì)算結(jié)果見圖5。

從圖5 可看出，q/v值越小，截面輪廓線越平坦，即工件表面質(zhì)量越好，但此時沉積成型效率會變低。

圖5 送粉量與掃描速度比值對成型表面平面度的影響

3 結(jié)論

1）按金屬粉末噴涂瞬時作正態(tài)分布及采用2σ原則來計(jì)算冷噴涂成型截面輪廓的方法可行。

2）冷噴涂沉積成型時行距優(yōu)先選用0.3～0.4 d，此時成型表面的平面度最好。行距小時斜面影響范圍大，邊緣效應(yīng)嚴(yán)重；為減小邊緣效應(yīng)，成型時最好在外側(cè)多打印0.5 d 的實(shí)體。

3）單位時間送粉量與掃描速度比值越小，工件表面質(zhì)量越好，但此時沉積成型效率會變低。