李素麗，劉 偉

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院，陜西西安 710300）

0 引言

熔滴沉積工藝原理就是以金屬絲為研究對象，使用不同的熱源使金屬絲熔化形成熔滴，熔滴滴落到經(jīng)過預熱的金屬板上，金屬板固定在可以移動的工作臺上，并利用先進的計算機控制系統(tǒng)控制金屬板的運動，使熔滴在基板上準確定位，逐點逐層累加，從而成形出復雜的幾何造型。而得到穩(wěn)定的均勻熔滴是該技術的關鍵和難點，只有當成形姿態(tài)、送絲速度以及金屬板移動速度等相關參數(shù)相匹配時,才能得到均勻滴落的熔滴[1-3]。

1 建模

由于金屬存在半熔融狀態(tài)的溫度區(qū)間較小，有的甚至就沒有半熔融狀態(tài)，所以對金屬絲剛剛到半熔融狀態(tài)很難控制，不能提供熔滴形貌及有關熔滴變形中的速度和溫度分布等詳細信息，而對熔滴鋪展和與基板融合凝固過程的數(shù)值模擬研究卻能夠很好地彌補此不足之處。然而對熔滴撞擊、鋪展試驗進行數(shù)值模擬并不是一個輕而易舉的事情，我們需要借助計算機才能很好地解決相關一系列的復雜問題，如送絲速度、基板溫度、噴嘴與基板間的距離等相關參數(shù)同時影響熔滴沉積質量。

本研究中，熔滴以一定的速度撞擊基板。由于其速度遠遠小于聲速，因此可以忽略熔滴的可壓縮性；流體的Reynolds數(shù)很小不足以引起湍流；熔滴的直徑為0.8 mm，具體材料參數(shù)如表1所示。液滴的初始形態(tài)如圖1所示。

表1 實驗材料參數(shù)表

圖1 建模示意圖

影響熔滴鋪展的因素很多，熔滴尺寸、基板材料、粗糙度等參數(shù)。如圖2模擬直徑為0.8 mm的不銹鋼0Cr18Ni9熔滴鋪展過程，可見隨著時間的推移，熔滴鋪展的直徑慢慢加大，熔滴芯部溫度基本不變，外測溫度在不斷下降。這與文獻[4]中結果一致。

2 試驗研究

2.1 試驗裝置

本研究采用的試驗裝置由CNC系統(tǒng)、成形工作臺、送絲機構和氧氣乙炔焊接系統(tǒng)組成。其中CNC系統(tǒng)控制工作臺的運動，使工作臺可實現(xiàn)x、y和z三個方向的直線運動；熱源采用氧氣乙炔焊接系統(tǒng)（如圖3）。

圖2 熔滴鋪展情況溫度場分布

圖3 熱源試驗裝置簡圖

由于采用的熱源不同，不同金屬絲熔化形成熔滴的研究沒有固定的設備與工藝，需要根據(jù)金屬絲本身的性質以及研究的工藝性搭建實驗平臺，致使能實現(xiàn)用熔滴成形法形成一條直線。成形過程中焊炬位置固定，基板固定在成形工作臺上。通過CNC系統(tǒng)控制工作臺以一定的速度V運動，同時送絲機構將不銹鋼絲0Cr18Ni9(304)以一定速度送至乙炔氧氣焊炬中性焰焰心（溫度可達3 000℃），形成連續(xù)的熔滴滴于基板表面，最終形成一條直線。

2.2 工藝參數(shù)確定

（1）送絲速度

送絲速度對熔滴成形有很大影響。因此首先應該確定送絲機的面板刻度與實際送絲速度對應關系，具體參數(shù)如表2所示。

表2 送絲機速度與面板刻度對應關系

通過試驗，當面板刻度調制2時，對應的送絲速度為1.7 mm/s，這時金屬絲0Cr18Ni9(304)會過度氧化；當送絲刻度為2.5，即送絲速度為3.8 mm/s時，能獲得連續(xù)的熔滴。但送絲速度大于3.8 mm/s時，只能將不銹鋼絲加熱至紅熱狀態(tài)，來不及形成熔滴。所以本試驗采用的送絲速度為3.8 mm/s。

圖4 焊炬斜向下試驗裝置圖

（2）焊炬姿態(tài)對成形過程的影響

不同的焊炬姿態(tài)對底板加熱的效果是不同的，能得到不同的預熱效果。通過調整焊炬可以形成三種不同的焊炬姿態(tài)，即平吹—火焰與基板水平；斜吹—焊炬斜向下，火焰與底板呈一定角度；垂直吹—焊炬垂直于底板向下，火焰與底板垂直。

①平吹—火焰與底板基本水平

由圖5可以看出，熔滴之間有較好的搭接。通過測量其成形長度L=40 mm，共14個熔滴，假設每個熔滴直徑為4 mm，則平均兩個熔滴之間的重復部分長度為1.2 mm。

圖5 平吹時熔滴成形質量

②垂直吹—火焰與基板垂直

由于火焰垂直于基板，氣流影響過大，熔滴的大小及下落位置很不穩(wěn)定，發(fā)生了熔滴飛濺。如圖6所示。

③斜吹—火焰與底板呈一定角度

圖6 垂直向下吹時熔滴成形質量

由圖7可以看出，乙炔的溫度很高，能把金屬絲0Cr18Ni9(304)瞬間熔化，但是外界沒有保護裝置，熔滴極易被氧化。由于沒有振動，熔滴脫落僅依靠重力作用，所以比較慢，即將滴落的熔滴和已經(jīng)滴落的熔滴不能很好地融合。另外基板沒有經(jīng)過預熱，熔滴的結合性不好。

圖7 斜吹時熔滴成形質量

（3）熔滴下落高度

為減少熔滴在空氣中的凝固時間，在理論上應盡量減少熔滴的下落高度，但是為避免相互干涉，而且距離太近，會出現(xiàn)熔滴前后沒有形成熔滴熔在一團的現(xiàn)象。由于試驗的可重復性較差，經(jīng)反復試驗，在平吹時，熔滴下落高度不能小于5 mm；斜吹時，熔滴下落高度不能小于6 mm；垂直向下吹時，理論上考慮熔滴尺寸即可,下落高度也不能小于6 mm左右。

3 結論

本研究首先對高熔點合金0Cr18Ni9(304)以絲材形式通過送絲機構送出，經(jīng)乙炔氧氣加熱至熔融態(tài)，形成熔滴，沉積在不銹鋼基板上，通過調節(jié)不同參數(shù)來觀察其成形質量。

（1）送絲速度對熔滴沉積有很大影響。送絲速度太快，金屬沒有來得及熔化形成熔滴，而相反送絲速度太慢，金屬絲會被過度氧化。根據(jù)本文的具體實際，采用送絲速度為3.8 mm/s。

（2）焊炬姿態(tài)對熔滴沉積也有一定的影響。平吹時，乙炔焰先融化一部分底板不銹鋼，形成熔池，這時不銹鋼熔滴滴上之后將會有比較好的結合強度。然而垂直向下吹時，由于氣流影響過大，熔滴的大小及下落位置很不穩(wěn)定，無法達到預期效果，甚至發(fā)生了熔滴爆炸飛濺的現(xiàn)象。斜吹時，火焰中心與底板表面接觸，金屬絲極易熔化形成熔滴而被氧化，另外由于中性火焰焰心長度為24 mm，對于直徑在4 mm左右的熔滴，容易造成焊嘴堵塞引發(fā)危險。

[1]譚永生.FDM快速成型技術及其應用[J].航空制造技術，2000（1）:2-7.

[2]鄒國林，郭東明，賈振元.FDM工藝出絲過程影響因素分析[J].制造技術與機床，2002，12：10-15.

[3]劉光富，李愛平.熔融沉積快速成型機的螺旋積壓機構設計[J].機械設計，2003,20(9):11-16.

[4]宋丹路，周紅燕，馬德毅.熔融沉積快速成型的翹曲變形分析和解決方法[J].組合機床與自動化加工技術，2004,3:20-24.

[5]張家寬.熔融液滴撞擊金屬粉末表面的鋪展和凝固模型[D].南京:南京航空航天大學,2008.

[6]汪洋，葉春生，黃樹槐.熔融沉積成型材料的研究與應用進展[J].塑料工業(yè)，2005,33(11):21-26.

[7]林柳蘭，莫健華.快速成型材料及應用[J].模具，2003,2(8):73-79.

[8]江開勇.熔融擠壓堆積成形中材料絲的熔融過程分析[J].華僑大學學報(自然科學版)，2000,21(3):302～306.

[9]唐志玉.擠塑模設計[M].北京:化學工業(yè)出版社,1997.6～74.

[10]江開勇.聚合物熔融擠壓成形技術[J].工程塑料應用，2000，28(6):16～18.

[11]CHANG.DH.Rheology in polymer processing[M].New York:Academic press,1976,89-100.