金属丝材快速成型增材制造设备

邹云 1 刘兆雪 2

摘要：目前，我国的经济在快速发展，社会在不断进步，因传统的增材制造技术存在金属材料利用率低、成型慢、成本高且对成型环境要求苛刻等诸多缺点而限制了其应用领域，本文设计的金属丝材快速成型设备很好地将电磁感应加热技术和增材制造技术结合在一起，提高了金属成型的效率，降低了设备的制造成本，并为金属增材制造技术提供了一种新的方法。

关键词：金属丝材；快速成型；电磁感应；设备

引言

3D打印技术是将原材料采用层层堆积法使其成型的一种增材制造新技术，这种技术充分发挥了计算机成型软件的优势，先建立一个三维模型后，再运用切片软件逐层切片三维模型，最后由3D打印设备分析零件模型特征后，自下向上逐层堆积实体零件即可获得所需的零件实体。这一技术不需要刀具模具就能够完成各种复杂零件的制造，有效简化了制造工序，提升了加工效率。目前广泛应用于航空航天、工业制造、生物医疗、艺术修复、影视模型、日常生活消费品设计等各个方面。目前，3D打印不仅能够打印塑料类、尼龙类、石蜡类低熔点材料，还能够将一些金属粉末直接成型，包括不锈钢和陶瓷等高熔点材料的直接成型。金属3D打印也是目前发展潜力与前景最为广阔的一种技术。

1高强度金属丝材研制

电弧丝材3D打印用高合金钢焊丝要求具备高硬度以及高强度；在零件修复使用时需要兼备一定的承重能力且与原材料结合密切，同时需要保证制作工艺过程多次热循环作用和影响下使用无碍。综合以上使用条件需求，采用板条马氏体为主要基材，辅加一定的钒进行合金化，避免多次受热导致的晶粒粗大。Cr能提高钢的电极电位，使钢具有对强氧化性酸类等腐蚀介质的耐腐蚀能力。此外，当铬含量一定时，堆积金属可以在氧化性介质中形成表面致密、稳定的氧化膜，从而提高堆积金属的耐蚀性和耐磨性。C是重要的马氏体形成元素。含碳量的增加，能显著促进过饱和马氏体的形成，并可提高熔敷金属的硬度。同时C可作为一种还原元素，有效保护药芯丝材中各类易氧化金属粉末，避免这些金属粉末在焊接过程中氧化，从而提高了焊缝的质量；同时，其与氧反应形成的铁提高碳含量，CO气体可与Ar气联合保护整个焊接过程。本文中主要通过加入高碳铬随焊缝金属中碳含量的增加，焊缝的强度硬度会有所上升，晶裂纹和焊接接头的冷裂纹倾向都要增大。为得到性能良好的马氏体组织，但焊缝的结要在药芯焊丝中加入大量的铬及适量的碳；同时为改善焊接的稳定性，在药芯中添加矿物粉和稳弧剂改善焊接性能和工艺特性，保持合适的锰硅比以保证其脱氧性。

2金属丝材快速成型增材制造设备

2.1控制系统设计

金属丝材快速成型增材制造设备整个控制流程描述如下：（1）将现有的或通过三维设计软件（如UG，PRO/E等）建立的三维实体模型处理成切片软件可识别的STL文件。（2）将STL文件导入到切片软件里，并在切片软件上设置成型过程当中的各种工艺参数，如切片厚度、成型速度、填充间距、填充方式以及成型平台温度等。（3）设置完工艺参数后导出G代码文件。（4）启动金属丝材快速成型增材制造设备，设备的各个运动控制单元进行归零动作，其他配件也进行复位动作。（5）当设备复位完成后，整个设备进入待机状态，同时成型平台里的预热装置进行预热工作。待成型平台的温度达到预定值后，热电偶将温度采集信号反馈到主控单元并执行恒温程序。（6）将导出G代码文件的拷贝到设备上，待一切准备就绪后打开程序运行按钮执行开始动作。（7）设备执行G代码里的程序。成型平台在十字滑台的联动下完成单层的成型轨迹后，感应加热喷头在Z轴步进电机的驱动下完成设定切片厚度的抬升动作，抬升动作完成后成型平台在十字滑台的联动下完成下一层的成型轨迹，如此重复执行，直至整个程序执行结束。

2.2SLS

SLS主要是以冶金机制为基本原理，通过液相烧结使零件成形，利用激光束将金属粉末材料熔化后，将被熔化的液相金属材料凝固成形，并与未被熔化的固相粉末颗粒进行重排粘接，进而使粉末材料不断致密化。该系统由扫描系统、激光系统、粉末压床、铺粉滚筒以及粉末输送系统等组成。利用计算机三维建模软件绘制三维实体零件模型后，以STL格式存储模型文件，再利用切片软件直接对该文件进行切割，使其各片层厚度具有可加工性，切割后形成的数据进入SLS系统进行后续加工。先将金属粉末预热，预热后的温度要低于烧结点温度，一侧供粉缸中添加给定量的粉末后，在粉末床上利用铺粉滚筒均匀铺开粉末，利用计算机系统控制激光束按照给定功率与速度扫描第一层截面轮廓，使粉末烧结为设定厚度的实体轮廓片层，并以未烧结粉末为支撑，烧结完第一层粉末。将粉末床转移到下一个分层，上移供粉缸，重复上述动作，上一层实体片层会与下一层自然粘接，逐层烧结即可对整个三维实体零件进行烧结。SLS技术制作时间短，能够烧结多种金属材料，且材料烧结利用率高，烧结成本低，工艺简单，设计制造一体化，可以在不借助支撑结构的工作条件下直接烧结复杂结构金属制品的技术，未被烧结的粉末就能够直接支撑悬空部分，烧结成形精度可达到0.05~2.5mm，并且可进行个性化的批量定制，缺陷在于原材料价格高、设备成本高、成品致密度较、表面粗糙度及机械性能均较差，零件质量受制于粉末质量，成形耗量大、辅助工艺较为复杂，且零件最大尺寸限制较大。

2.3电弧丝材3D打印工艺

为探索工艺参数对打印质量的影响，建立科学合理的工艺参数使用体系。工艺参数的变化对打印的影响是一个重要的问题，合理的工艺参数可使打印制件表面质量提高、打印过程平稳、飞溅少、缺陷小，达到提高制件表观质量的作用。同样的，合理的工艺参数可显著提高制件的表面精度，降低制件表面的台阶误差。通过合理的工艺参数设定可显著改善和优化打印过程中的热循环过程，明显细化各层多道热影响区的晶格尺寸，避免过热带来的晶粒粗大，降低残余应力的影响，显著改善制件内部的质量。堆积宽度和堆积高度显著影响整个打印过程。前者决定了薄壁件厚度和实芯件的搭接宽度，即影响着整个片体扫描的密度和打印堆积的顺序；后者决定了熔敷的效率和台阶精度。这两者是整个过程的主要变量，采用合理的参数对堆积宽度和堆积高度进行控制是控制精度的关键。因此，为提高表面成形的精度等级，减少或消除制件表面的台阶误差，同时保证一定的熔敷效率，论文需探讨在合理范围内各参数对成形过程的影响，即各个参数对打印过程的影响规律。整个打印过程中对成形影响显著的自变量有三，分别为：堆积速度、电弧电压以及电弧电流；所主要影响的因变量有二，分别为：堆积宽度和堆积高度。

结语：

本文详细介绍了金属丝材快速成型设备的组成部分，并阐述了其各个部分的详细设计。金属丝材快速成型设备将电磁感应加热技术和增材制造技术很好地结合在一起，提高了金属成型效率，并降低了设备成本及运行成本，并为金属增材制造提供一种新的方法。

参考文献

［1］王泽力，张元彬，史传伟．丝材增材制造技术研究现状与展望［J］．热加工工艺，2019，(3):6-10．

［2］卢秉恒，李涤尘．增材制造（3D打印）技术发展［J］．机械制造与自动化，2013，42(4):1-4．

［3］姜土林．感应加热原理与应用［M］．天津科技翻译出版公司，1993．

［4］罗庆生．工频电感应加热原理探讨和工程计算［J］．电工技术，1989(9):13-16．