3D打印蜡粉成形工艺研究和应用验证

■ 宋彬，及晓阳，任瑞，高文谦，孙宁，侯尉

在3D打印增材技术领域，复合蜡粉选择性激光烧结工艺十分复杂，成形过程要求参数范围较窄，成形能力差，掌握比较困难。本文从SLS成形质量的几个重要的步骤和参数进行分析试验，通过大量试验数据整理，探索出复合蜡粉选择性激光烧结工艺规律，通过实际样件和零件进行验证。

一、蜡粉成形精度控制技术

1. 烧结工艺参数控制精度的方法

通过理论分析和试验认为对于固定特性的粉末材料，激光选区烧结成形过程中的误差来源于三个方面：模型数据处理误差、成形机系统误差、成形工艺和翘曲变形误差。但是只有小部分参数是我们所能控制和调整的。如铺粉轴的转速和运动方式、软件算法、初始切片层的选取等参数，在成形机生产过程中就己被锁定了，故我们不能调节这些参数。使用过程中可调整的设备参数有预热温度、预热时间、单层厚度、扫描延时、激光功率、扫描方式、扫描间距、扫描速度、铺粉厚度、修正系数及保温时间等，而这些因素并不是单独起作用，而是相互作用、相互影响的。

（1）预热温度 预热情况对成形质量的影响是非常大的。在烧结进行前，必须先用成形材料打底，目的是将成形件黏附在底上，防止成形件被铺粉轴推走和烧结初期的翘曲变形。打底时，对预热温度和时间的控制很关键，预热温度过高、时间过长，造成底部板结甚至熔融，会对取件造成困难；预热温度不够或时间不足，成形件容易发生翘曲变形，且不易黏附成功。图1分别为预热良好和预热不足情况下的烧结件。

根据复合蜡粉材料性质，试验时预热区间选择为30～60℃。经多次试验，精铸蜡粉烧结打底时预热温度控制在50℃，时间在10min最佳。

图1 未加预热引起的翘曲变形情况

在烧结过程中，预热温度对成形件尺寸精度和翘曲变形的影响很大。如果在烧结时粉末没有经过预热，激光扫描时可使烧结层的上部分瞬间达到熔点，而此时烧结层下部分的温度却升高不多。烧结层上下表面的温差必然导致烧结层不均匀，翘曲变形在所难免。因此，提高预热温度有助于减小粉料烧结层上下表面的温差，从而减小成形件的翘曲变形。

（2）扫描速度 试验时，扫描速度区间为1400～2000mm/s。当扫描速度较高时，粉末材料吸收的能量少，粉末未能充分熔化黏结，粉层上下受热不均匀，容易产生翘曲变形，而且成形件强度低。但此时粉末熔融程度低，材料收缩量较小，故成形件收缩率小，成形精度较高。与之相反，扫描速度降低时，材料吸收能量多，粉层上下受热均匀，熔融程度高，不易发生翘曲变形，同时成形件强度高，但材料收缩较大，成形尺寸变形较大。

（3）激光功率 根据材料性质，试验所选激光功率区间为10～20W。在此区间，当激光功率较小时，输入的能量低，烧结层下表面粉末未能充分熔化黏结，烧结层上下表面存在温差，成形件会发生翘曲变形。但此时因材料收缩程度低，故成形精度较高，成形件强度却较差。而随着激光功率的增加，粉末材料熔融程度增加，翘曲变形会相应减小，当激光功率增加到使烧结层基本熔融时，烧结层的蜡粉已成为流体，基本不会发生翘曲变形，但此时材料收缩率最大，故尺寸变形较大，成形件强度较高。

（4）铺粉厚度 铺粉厚度即工作缸下降一层的高度，其对烧结工艺的影响也是很关键的。层厚过大将导致激光束不能穿透该烧结层，层与层之间黏结不牢靠，造成分层；而过小的层厚会导致部分已烧结的粉末重新烧结，降低形坯的成形精度，不过减小烧结厚度可以增大烧结件的烧结密度，进而提高烧结件的强度。通过试验研究表明，铺粉过程中铺粉辊对成形缸内粉末有一个向下的压力和一个水平的力，向下的压力有利于提高粉末的松装密度，水平力使得层与层之间会产生微小的偏移，使得精度降低，严重时甚至导致成形件的完全破坏。

对于有曲面的零件，层厚直接影响形坯的表面精度和形状精度。层厚直接影响制件的阶梯效应，随着单层层厚的增加，曲面零件的阶梯效应更加明显，使得制件精度出现很大偏差。因此，对于有曲面的制件，可以通过适当减小层厚来提高原型精度。根据实际经验，对于平均粒径为45μm的复合蜡粉，厚度范围以 0.15～0.21mm 为最佳。

2. 烧结工艺参数正交试验

为获得复合蜡粉烧结件的最佳工艺，采用正交试验法烧结工艺参数进行分析，对试验进行整体设计、统计分析、综合比较，以达到最高生产工艺效果。最终获得的工艺参数如表1所示。

我们采用了优化后的烧结工艺参数进行烧结试验，来保证烧结件的烧结密度和尺寸精度。

3. 复合蜡粉的选择性激光烧结件

图2为新型复合蜡粉部分激光烧结烧结件，有壁厚＜1mm、层数＞1500层的薄壁部件，有曲面（叶片）烧结的诱导轮等，进一步说明了该新型复合蜡粉满足选择性激光烧结对粉末材料的要求。

二、激光烧结蜡型后处理技术工艺研究

1. 后处理目的和意义

选择性激光烧结属于无压敞开烧结，所以直接成形的成形件内部结构致密性差，且由于是叠加烧结，烧结件强度低、表面粗糙甚至有台阶效应（见图3），又因粉末材料很容易脱落，所以未经后处理的成形件不能满足后续精密铸造的要求。这里选用渗蜡的方法进行后处理，原因有三点。

第一，尽管蜡粉原型烧结密度较高，但仍有约30%的孔隙率，且由于烧结时间短，孔隙间并没有形成闭孔，而是连通着的，蜡液体可以通过孔隙通道逐渐渗透，以达到减小制件孔隙率的目的，并且实际经验也证明可以得到好的处理效果。

图2 复合蜡粉部分烧结成形件

表1 最大烧结密度工艺参数

第二，烧结件主要用于后续的熔模铸造工艺，这类浸蜡处理的原型容易和随后的铸造工艺配合。

第三，浸蜡处理后形成的原型表面易打磨光滑，降低原型表面粗糙度值。若原型表面有小损伤也可以用蜡液修补，提高其表面精度。

2. 后处理工艺设计与优化

（1）成形件渗蜡前的预处理 ①清理与修整：成形件烧结结束后，为了防止成形件由于突然温度降低而产生翘曲变形，需要在成形缸内冷却30min以上。取出成形件后，清理表面的粉末，将一些地方进行必要的打磨、修整，以保证制件的尺寸精度。②制件预热处理：在渗蜡前还需预热成形件，防止因为成形件和蜡液温差过大，从而引起成形件的开裂和变形。试验中，将成形件放置于40℃的烤箱中预热30min。③成形件浸蜡：将预热好的成形件在合理的工艺参数下进行两次渗蜡操作，第一次以蜡液填充成形件孔隙为主，第二次以成形件表面挂蜡为主。④渗蜡件表面处理：对渗蜡后的成形件进行表面修理，一方面修补成形件的缺损和裂缝，另一方面打磨烧结件表面，增加表面光滑度，提高烧结件精度。

（2）渗蜡处理 ①蜡的选用与配制：蜡要具有良好的流动性、浸润性，蜡质要纯净，不可混有杂质，而且要求蜡的熔点较低；同时，要考虑在满足使用条件的情况下尽量降低蜡的成本。由于一般的工业石蜡熔点较高（一般在100℃左右），不能用于渗蜡，这里选用工业石蜡与硬脂酸钙按1：1的比例配制的低熔点蜡，熔点为55～60℃。②蜡液温度控制：蜡液温度是后处理过程中最重要的一个参数。一般来说，蜡液温度提高，蜡液的流动性也提高，成形件表面渗蜡厚度变小，但过高的蜡液温度会导致成形件因温差大而脆裂，甚至发生软化、变形；反之，蜡液温度降低，蜡液的流动性也降低，成形件表面渗蜡厚度变大，温度过低会导致蜡液挂不住，起不到渗蜡的作用。试验中分别采用70℃、72℃、74℃、76℃、78℃共5个蜡液温度进行试验，观察试验结果，并对比后处理前后成形件的性能和表面。③渗蜡过程：将预热后的成形件取出，放在网状托盘上，然后缓慢放入温度设定好的化蜡池中。渗蜡过程中，成形件会因为浮力的作用而不能完全沉入蜡池，可用玻璃棒小心按压、翻滚成形件，保证其渗蜡完全、均匀。取出成形件时，应保证孔洞、沟槽等向下，便于其中多余的蜡液流出。待成形件冷却至室温，即可进行精整处理。④二次渗蜡：对于作为熔模铸造的“蜡模”使用的成形件来说，表面渗蜡的目的主要是降低其表面粗糙度值和增加蜡感；同时，可对制件形状、尺寸进行一定修补。此外，成形件表面渗有一定厚度的蜡层后，也便于连接浇冒口系统。成形件表面渗蜡后强度会有一定的提高，但一次渗蜡后，成形件表面并没有想象中的那么光滑，而且由于浸入时间过短，蜡液可能还没完全渗入成形件，所以二次渗蜡是很有必要的。

（3）微观结构 图4和图5分别为浸蜡前和二次浸蜡后的诱导轮断口放大500倍的SEM照片，从中可以看出，浸蜡前诱导轮断面粗糙，有明显的孔洞和凹陷。浸蜡后的诱导轮，断面光滑，蜡液进入诱导轮内部，填充了内部孔洞与凹陷。随着诱导轮内部结构的填充和完整，致密性会提高，其性能和强度必然会得到明显改善。

图3 成形件的台阶效应

图4 浸蜡前的诱导轮断口（500×）

图5 二次浸蜡后的诱导（500×）

三、蜡粉增材制造设备的考核及应用

1. 铸件工艺考核

为了全面考核复合蜡粉烧结件对传统精密铸造工艺的适应性，选择了外形复杂的旋转框架双金属缸体铸件进行考核。其铸造工艺装配和铸件毛坯如图6、图7所示。

2. 缸体铸件的解剖及性能检测

（1）缸体解剖检测 实际解剖后铸件各部分的组织均匀，主要有α固溶体和大量弥散分布的θ'相（CuAl2的过渡相），二次T相呈弥散小质点析出，大幅提高了合金的力学性能，达到技术要求（见表2）。铸件无损检测合格。

（2）铸件外观检查 铸件进排气道内壁及下部加工面未见裂纹、疏松、冷隔等铸造缺陷；解剖后内部未发现缺陷。

铸件水压试验：水道在490～588kPa的压力下进行水压试验（水温50～70℃）10min，没有漏水情况。

（3）尺寸精度和表面粗糙度检测 经检测，铸件尺寸精度达到CT5，表面粗糙度达Ra=3.2mm 。

四、结语

通过3D打印SLS技术对复合蜡粉成形工艺的探索，采用试验、数据分析的方法实现了复合蜡粉成形样件的打印，掌握了复合蜡粉成形工艺。并以双金属三缸缸体作为实例，实现蜡模成形、铸造工艺设计、石膏型熔模精密铸造、解剖、X射线无损检测、金相组织分析，以及力学性能分析等快速铸造过程，验证了复合蜡粉成形工艺的合理性，蜡件铸造性较好。

图6 双金属缸体蜡模浇注系统

图7 双金属缸体蜡模及铸件

表2 室温力学性能

[1] 宋彬，等. 3D打印技术和铸造模拟技术在精密铸造生产中的应用[J]. 金属加工（热加工），2016（19）：28-31.

[2] 李庆春. 铸件形成理论基础[M]. 北京： 机械工业出版社，1982.

[3] 李魁盛. 铸造工艺及原理[M].北京： 机械工业出版社，1988.

[4] 范英俊. 铸造手册之特种铸造[M]. 北京： 机械工业出版社，2003.