□ 剡秀秀 □ 劉 軼 □ 杜銀學(xué)

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1 分析背景

目前,三維打印受到了越來(lái)越多研究者的關(guān)注。三維打印又稱(chēng)為增材制造技術(shù),它根據(jù)三維模型有選擇地逐層添加材料從而打印出實(shí)體部件。與傳統(tǒng)的制造工藝相比,增材制造技術(shù)可以顯著降低成本、能源、材料消耗和人力資源,并且顯著改善了工作環(huán)境。增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)制造業(yè)相輔相成,將傳統(tǒng)制造業(yè)的發(fā)展帶入了一個(gè)新的發(fā)展階段,為傳統(tǒng)制造業(yè)注入了新的活力和動(dòng)力。目前,增材制造技術(shù)已應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的增材制造技術(shù)包括光固化成型、選擇性激光燒結(jié)和熔融技術(shù)等,粘結(jié)劑噴射三維打印技術(shù)的出現(xiàn),展現(xiàn)出其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。粘結(jié)劑噴射三維打印技術(shù)由麻省理工學(xué)院在20世紀(jì)90年代早期開(kāi)發(fā),包括五個(gè)步驟:三維模型轉(zhuǎn)化成STL文件,打印,固化,去粉,后處理。粘結(jié)劑噴射三維打印能夠兼容的材料廣泛,如金屬、陶瓷、聚合物、砂子、玻璃,對(duì)高熔點(diǎn)、高反射率的材料沒(méi)有限制,因?yàn)槿S打印過(guò)程在室溫下進(jìn)行,所以不需要考慮材料導(dǎo)熱因素。此外,在打印過(guò)程中不需要建造支撐結(jié)構(gòu),不受熱梯度的影響,粉末的可重復(fù)利用率也遠(yuǎn)高于激光或電子束成型。

在粘結(jié)劑噴射三維打印過(guò)程中,用到的關(guān)鍵材料為粉末、粘結(jié)劑和清洗劑。其中,粉末理化性能對(duì)打印產(chǎn)品性能的影響不言而喻。已有很多研究表明,粉末材料的粒徑及分布、流動(dòng)性等對(duì)打印產(chǎn)品的性能有顯著的影響,但是很少有文獻(xiàn)表明,清洗打印頭的清洗劑對(duì)打印產(chǎn)品的性能也會(huì)產(chǎn)生影響。

不銹鋼是目前應(yīng)用最廣泛的金屬材料之一,筆者以316L不銹鋼試塊為研究對(duì)象,對(duì)比不同配比的清洗劑的清洗效果,期望獲得致密度和力學(xué)性能優(yōu)異的三維打印不銹鋼試塊。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 材料

筆者采用國(guó)產(chǎn)316L不銹鋼粉末用于研究。粉體的粒徑分布D10為5.7 μm、D50為12.8 μm,D90為25.8 μm,粉末化學(xué)成分見(jiàn)表1。使用的粘結(jié)劑為乙二醇單丁醚、異丙醇、乙二醇混合物,前兩者的沸點(diǎn)較低,分別為171 ℃、80.4 ℃,因此在195 ℃時(shí)蒸發(fā)。固化后,金相組織的主要成分為乙二醇,沸騰溫度為197.3 ℃。使用兩種清洗劑來(lái)清洗打印頭,1號(hào)清洗劑為國(guó)外進(jìn)口,2號(hào)清洗劑為筆者公司研發(fā)生產(chǎn)。相比兩種清洗劑的成本,2號(hào)清洗劑價(jià)格更低廉,可以為金屬三維打印節(jié)省更多的資金。

2.2 脫脂和燒結(jié)工藝

試塊的脫脂溫度為600 ℃,保溫時(shí)間為60 min。在脫脂和燒結(jié)過(guò)程中,用氬氣保護(hù)氣氛。燒結(jié)工藝為在1 385 ℃下負(fù)壓燒結(jié)180 min,燒結(jié)后試塊的致密度ρ和尺寸收縮率φ2為:

(1)

φ2=(a2-a1)/a1×100%

(2)

式中:m為燒結(jié)后的質(zhì)量;V為燒結(jié)后的體積;a2為燒結(jié)后的尺寸;a1為燒結(jié)前的尺寸。

3 清洗劑對(duì)打印試塊表面質(zhì)量影響

使用不同打印模式和清洗劑,打印試塊的表面質(zhì)量如圖1所示,打印試塊的尺寸和致密度數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。打印模式為50-50,打印溫度為45 ℃時(shí),使用1號(hào)清洗劑后打印的試塊表面質(zhì)量不佳。通過(guò)調(diào)整打印參數(shù),打印模式為25-50,打印溫度為50 ℃時(shí),試塊的表面質(zhì)量得到明顯改善,因此,選用此打印參數(shù)。改用2號(hào)清洗劑清洗打印頭后打印試塊,試塊的表面質(zhì)量變差,這表明2號(hào)清洗劑對(duì)打印質(zhì)量有影響。由表2數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),試塊長(zhǎng)度方向的尺寸均小于模型尺寸20 mm,而寬度和高度方向的尺寸則顯示出使用1號(hào)清洗劑后打印試塊的尺寸均大于模型尺寸15 mm和10 mm,使用2號(hào)清洗劑清洗打印頭后打印試塊的尺寸在高度方向則小于模型尺寸10 mm。從打印試塊致密度數(shù)據(jù)看,四個(gè)試塊的致密度差別不大。試塊表面質(zhì)量越差,打印試塊尺寸的誤差就越大。總體來(lái)看,試塊上部的表面質(zhì)量較好,而底部,即先打印的層的表面質(zhì)量較差,這與打印模式有關(guān)。通過(guò)試驗(yàn),當(dāng)打印模式為25-50時(shí),試塊底部的表面質(zhì)量較好。

▲圖1 使用不同模式和清洗劑試塊表面質(zhì)量

表2 使用不同模式和清洗劑試塊尺寸和收縮率

4 清洗劑對(duì)打印試塊燒結(jié)組織及性能影響

使用不同模式及清洗劑打印試塊的金相照片如圖2所示。使用不同打印參數(shù)和清洗劑對(duì)試塊燒結(jié)后的顯微組織沒(méi)有明顯的影響,平均晶粒尺寸在30 μm左右,晶界間分布著黑色的碳化物,含量也沒(méi)有明顯的規(guī)律,這表明使用不同的清洗劑對(duì)試塊顯微組織的影響不大。

▲圖2 使用不同模式和清洗劑試塊金相照片

試塊燒結(jié)后的致密度和尺寸收縮率見(jiàn)表3。由表3可以看出,使用1號(hào)清洗劑后,試塊在長(zhǎng)、寬、高三個(gè)方向的尺寸收縮率均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì),并且打印參數(shù)對(duì)收縮率沒(méi)有顯著影響。使用2號(hào)清洗劑后,試塊在長(zhǎng)度方向收縮率變大,寬度和高度方向收縮率則無(wú)明顯變化。從致密度數(shù)據(jù)可以看到,四個(gè)試塊的致密度均保持在98%以上。

表3 試塊燒結(jié)后數(shù)據(jù)

四個(gè)試塊燒結(jié)后的力學(xué)性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表4,對(duì)應(yīng)的抗壓曲線如圖3、圖4所示。 由表4可以看到,四個(gè)試塊的布氏硬度HB相近,選用2號(hào)清洗劑后,試塊的維氏硬度HV有所提高,從210提高到221。試塊的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度顯著降低,而延伸率變化不大,均保持在60%以上。

▲圖3 使用1號(hào)清洗劑試塊抗壓曲線

▲圖4 使用2號(hào)清洗劑試塊抗壓曲線

表4 試塊燒結(jié)后力學(xué)性能

試驗(yàn)表明,換用2號(hào)清洗劑后試塊表面質(zhì)量變差,對(duì)于拉伸試塊和抗壓試塊也是如此。試塊的表面質(zhì)量不佳,試塊上的裂紋等容易引起應(yīng)力集中,導(dǎo)致試塊提早斷裂。

5 優(yōu)化清洗劑配比后打印試塊質(zhì)量

試驗(yàn)結(jié)果表明,使用不同配比清洗劑對(duì)316L不銹鋼打印試塊的表面質(zhì)量和性能有明顯影響。因此,配備了六種不同配比的清洗劑進(jìn)行試驗(yàn),具體配比見(jiàn)表5。對(duì)于六種配比方案,分別打印十次測(cè)試紙,通過(guò)觀察丟幀數(shù)及穩(wěn)定性來(lái)判斷清洗劑的清洗效果,結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知,配比方案2、配比方案3、配比方案5清洗劑在首次測(cè)試打印后丟幀數(shù)大于5,并且在第五次測(cè)試后丟幀數(shù)才減少到1,表明這三種配比方案的清洗效果不佳。配比方案1和配比方案4清洗劑在首次測(cè)試打印后丟幀數(shù)為4,并很快達(dá)到穩(wěn)定,其中配比方案1清洗劑在打印測(cè)試五次后的丟幀數(shù)幾乎為0,表明配比方案1清洗劑的清洗效果最好。因此選用配比方案1配比的清洗劑打印產(chǎn)品,打印模式為25-50,打印溫度為50 ℃。

表5 清洗劑配比

表6 不同配比清洗劑打印頭丟幀情況

使用配比方案1清洗劑清洗后打印試塊的宏觀照片和顯微組織如圖5所示,燒結(jié)后打印試塊的機(jī)械性能見(jiàn)表7,五個(gè)打印試塊的抗壓曲線如圖6所示。結(jié)果表明,使用配比方案1清洗劑后,試塊表面質(zhì)量提高,試塊燒結(jié)后的顯微組織依然保持之前的特征,即晶粒尺寸變化不大,晶界間的黑色碳化物分布明顯。由表7可以看到,試塊長(zhǎng)度和寬度方向尺寸收縮率減小,高度方向變化不大。試塊致密度沒(méi)有明顯變化,燒結(jié)后打印試塊的致密度提高到99.24%?？估瓘?qiáng)度和抗壓強(qiáng)度與使用2號(hào)清洗劑后的打印試塊相比有明顯提高,而延伸率變化不大。

▲圖5 配比方案1清洗劑試塊宏觀照片和顯微組織

▲圖6 配比方案1清洗劑試塊抗壓曲線

表7 配比方案1清洗劑試塊機(jī)械性能

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過(guò)對(duì)比使用兩種清洗劑清洗打印頭的打印效果,研究打印試塊的表面質(zhì)量和相關(guān)性能。

(1) 打印參數(shù)對(duì)三維打印316L不銹鋼試塊的表面質(zhì)量有明顯的影響。

(2) 不同清洗劑對(duì)三維打印316L不銹鋼試塊的表面質(zhì)量有明顯影響,但是對(duì)試塊燒結(jié)后的顯微組織影響不大。

(3) 優(yōu)化清洗劑配比后,打印試塊的丟幀數(shù)減少到1。試驗(yàn)證明,通過(guò)優(yōu)化清洗劑配比可以改善打印產(chǎn)品的表面質(zhì)量,并且獲得力學(xué)性能和致密度優(yōu)異的打印產(chǎn)品。