送粉式金属3D打印的技术现状及前景分析

李立秋

（沈阳瑞达机械自动化有限公司，辽宁 沈阳 110000）

1 几种常见的金属3D打印工艺对比

金属3D打印，常用的工艺方式有电弧送丝打印（简称为WAAM）、送粉打印（简称LDM）和铺粉打印（SLM）。对其特点、适合的用途做简要对比，见表1。

表1 常见金属3打印工艺特点对比

从上表可以看出，送粉打印具有独特的优点：可以混合多种材料完成梯度打印，以及具有减重要求和内流道结构的大型制件。这使其在当前具有不可替代性。

2 送粉式3D打印的技术问题及其应对措施

2.1 送粉式3D打印的技术问题分析

送粉式3D打印，在加工过程中，激光的光斑与送粉喷嘴在运动机构的带动下做同步运动，光斑走到的地方形成熔池，同时粉末落入熔池，形成增材打印的工件体。在工艺参数确定后的打印过程中，仍有以下几个问题需要特别重视：

打印往往是在基板上开展的；而基板初始是冷态，在打印一段时间后，基板及新打印出的工件体具备了一定的温度。冷态的基板，必然快速的吸收大量的热，造成初始加工时熔池温度偏低。这是在基板附近形成制件质量问题的主要因素。

运动机构在直线运动时是匀速的，但在拐弯折角处并非匀速，久而久之会在拐弯折角处形成打印凸起；对应的，在直线打印部位形成塌腰。

工件表面的高低差异，会造成送粉喷嘴相对工件表面的距离时近时远，熔池的光反射会使粉末在送粉喷嘴处熔化和再凝结，形成凝结块。凝结块一旦跌落到熔池，会造成制件表面的个别凸起，在此处容易形成气孔；凝结块长时间存在于喷嘴处又容易造成喷嘴堵塞，使送粉参数被动改变。

工件表面的凸起、凹陷，造成激光在工件表面聚焦状态发生变化，这会影响激光对工件表面的作用效果，进而造成工件加工过程中激光功率密度发生变化。

因工件表面状态不理想造成工艺参数被动变化，是制件产生裂纹的一个主要因素。

所以，在工艺参数设定合理的情况下，3D打印过程中送粉过程的不理想和光斑移动速度的不均匀，是造成工件缺陷的主要本质因素。而光斑移动速度受限于机械结构的动态响应特性，不可能做到完全理想；送粉喷嘴形成凝结块以及凝结块的脱落和送粉喷嘴的堵塞，也属于偶然的现象，没有特定的规律，这两点都难于直接处理。

2.2 送粉式3D打印难点的应对措施

现在的工程应用中，经常采用双比色温度传感器或者熔池检测相机，监测熔池的温度或者形貌，对激光功率进行闭环控制，这对抵消基板冷态给熔池造成的影响有一定的好处。

在不考虑基板温度的前提下，通过2.1的分析可知，光斑移动速度的稳定性和送粉状态的被动改变会影响熔池，进而造成质量缺陷。由于光斑移动速度和送粉状态参数的被动改变在工程实践中难于直接管理，也可以通过监测熔池状态、并以此控制其他工艺参数，来使熔池向有益的方向做出调整。

光斑在拐角处运动速度变缓，对应的会造成激光在工件表面的作用时间加长，所以，熔池温度会有相应的增高。相对的，对于直线段，熔池的温度应该略低于拐角处。

当工件表面已经产生塌腰，当光斑经过塌腰区域时，因为激光经过聚焦镜片后的汇聚点处于工件表面的上方，造成熔池处激光能量分散，此时熔池温度也会偏低。

基于以上分析，以检测熔池温度为例，可以衍生出新的控制策略——通过监测熔池的温度，在最初几层基板为冷态时，以熔池温度监测作为输入，对激光功率进行闭环控制，以抵消基板冷态对熔池的影响；而基板温度进入热态后，当检测到熔池温度过低时，表示光斑正在经过塌腰区域，依据目标温度与理想温度的偏差值，按照一定规则控制设备降低运动速度倍率，以延长激光在工件表面的作用时间和粉末落入的时间，可以对塌腰区域起到自动填补的效果。

事实上，熔池并非是静态的，像翻滚的开水，在激光的冲击作用下，底层的熔融金属不断的向上翻滚；而底层翻滚上来的金属熔液温度必然比表层原有的金属熔液温度低，这会造成熔池温度测量存在一定偏差。另外，如果使用相机监测熔池形貌，因为熔池的翻滚荡漾，以及送粉气体和保护气对熔池的吹动效果，熔池的表面形貌也是不稳定的；所以，在设计控制算法时，要注意做好滤波和均值处理，避免测量偏差对闭环控制造成不良影响。

3 送粉3D打印的产业前景

当前，因电弧送丝打印（WAAM）速度快，并且制件部分性能甚至超越传统的铸件，所以发展迅速；铺粉打印（SLM）因其制件精细，对具有内结构要求的工件减重突出，工艺参数确定后生产过程几乎不需要人工参与，所以应用市场扩张也非常迅速；而送粉打印（LDM）因为加工过程需要人工干预较多，在生产速度上也并不是特别突出，其市场逐渐被挤压。然而，送粉打印又有其不可替代性：打印成分变化的梯度功能件、以及具有特殊组分的大型结构件，只有送粉打印才能完成，另外，利用送粉打印可以随时调整制件成分的特点，可以开发出高通量材料测试设备，用于新材料开发，对于国内材料科学的发展具有极其重要的意义。所以，送粉打印（LDM）有其特定的发展空间和存在必要性。

通过表1所列出的3种3D打印工艺的对比，送粉3D打印（LDM）相比于电弧送丝打印（WAAM）的劣势是加工速度，相比于铺粉3D打印（SLM）的劣势是制件精度；送粉3D打印的加工速度很难实现大规模的提升，但是，通过提升制件精度，将快速扩大送粉3D打印（LDM）的应用场景。将送粉3D打印与传统的铣削减材加工相结合，设计制造多工位增减材一体设备，实现增材打印和减材制造的交替进行，当在一个工位做送粉3D打印或者铣削减材的同时，其他工位用于对已打印工件的冷却以等待铣削减材；通过一套增减材设备交替的对多个制件进行增材打印和铣削减材的加工，将在提高产品制件精度的同时，达到生产效率并未明显降低的效果，这样将对铺粉3D打印（SLM）形成压倒性优势，极大扩大送粉3D打印（LDM）的应用场景。

实现送粉3D打印材与铣削减材的一体化，增材和减材的融合是一个难点，需要解决产品空间定位、增减材过程中坐标变换的问题，这需要在轨迹规划软件开发方面有所发展创新；还要解决增、减材之间工艺结合问题：比如，在铣削减材过程中不能使用切削液，否则切削液残留会在下一步的打印过程中影响制件的成分。

4 结语

送粉式3D打印，具有打印速度较快、制件尺寸基本不受限制、可实现梯度打印等优点，这些特点使其在3D打印领域具有不可替代性。对于送粉3D打印有针对性的开发熔池控制技术、增减材技术的研究，可以减少送粉3D打印过程对于工艺人员的依赖，有效的扩大送粉3D打印的应用场景，带来广泛的社会效益。