基于金屬非金屬增材制造適用材料及產品機械性能研究

摘要：增材制造技術的發展，促使傳統制造領域無法實現的復雜結構件制造變為可能。文章基于金屬/非金屬增材制造使用材料及其加工產品的機械性能進行了研究。文章首先對增材制造技術的原理進行了綜述;其次分析了增材制造技術適用材料及加工產品的機械性能;再次分析了在增材制造工藝中產品機械性能變化的主要原因;最后針對增材制造加工產品性能改進的方法進行了總結，從金屬、非金屬兩個角度總結了性能改進的具體方法。最終結果表明，可以通過添加填充材料、材料熔融共混、改變輪廓寬度等方式能夠有效提升非金屬材料進行增材制造時的產品性能;通過調節材料配比、激光融化沉積技術、添加稀土氧化物、調節激光功率和掃描率等方式能夠有效提升金屬材料進行增材制造時的產品性能。

關鍵詞：增材制造;3D打印;金屬非金屬材料;機械性能

中圖分類號：TH16

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）06-0051-04

0 引言

增材制造技術又被稱為3D打印技術，是一種集成了計算機科學、材料學以及數字模型設計加工學的現代加工制造技術[1]。與傳統的制造加工模式相比，增材制造技術是一種自下而上通過材料累加進行產品加工和生產的形式，與以往通過對原材料進行切削再組裝的加工模式有極大差異。這種差異性能夠幫助制造業實現傳統工藝無法實現的復雜結構加工和制造。

得益于增材制造技術廣闊的應用前景，相關領域的學者和從業人員均已經投入了較大的力度用與對相關技術和產品的研發。對于增材制造技術而言，當前存在的問題主要集中在：材料的獲取、材料的機械性能參數、加工產品與傳統加工產品之間的性能差異等[2]。因此，本文基于金屬、非金屬材料對增材制造加工領域的適用材料及產品機械性能進行了分析，在參考大量文獻的基礎上對不同材料及產品與傳統加工方法之間的性能差異、產生原因和改進方法進行了總結。

1 概述

增材制造技術起源于20世紀90年代。增材制造技術是一種基于計算機模型數據處理軟件，通過對金屬、非金屬等材料進行分層疊加方式進行制造的產品、建筑生產工藝。增材制造技術相比于傳統產品加工技術，具有仿真性更強、生產制造效率更高、加工升本更低等優勢，在進入21世紀后逐漸被用于多種產業的生產和加工過程中。增材制造技術主要涉及學科有計算機三維建模、數控、材料、軟件技術、VR等，其工藝流程如圖1所示。

隨著增材制造技術以及相關輔助技術、材料工藝的不斷進步，增材制造技術成熟度越來越高，技術類型也越來越多。目前較為常見的技術有DMLS、EBM、SLM、SLS、LSF、EBF3、FDM、SLA、LOM技術等[4]。增材制造技術相關工藝特點如表1所示。

2 增材制造技術適用材料及產品機械性能

2.1 非金屬材料

高分子聚合物是進行增材制造過程中性能極佳的非金屬材料。尤其以塑料為代表的非金屬材料在進行增材制造時具有熱塑性低、熱流動性能高、冷卻黏結性較快等優點，因而被廣泛應用于各種類型的增材制造加工工藝中。此外，以塑料為代表的高分子材料由于在一定條件下具有極高的固化性能和復合型，能夠與陶瓷、玻璃、金屬粉末等進行新材料混合，得到性能更加、更適合用于增材制造的復合材料。

非金屬材料主要適用于FDM（熔融沉積成型）、SLA（光固化立體成型）、LOM（分層實體制造）及SLS（選擇性激光燒結）等技術中。針對高分子聚合物、陶瓷、智能材料等應用與增材制造工藝的相關研究已有很多。對產品的機械性能進行分析，成為增材制造未來發展過程中的研究重點。遲百宏等（2016）利用熔融沉積成型技術對高分子聚合物材料進行成型實驗，檢測了高分子聚合物用于增材制造工藝后的機械性能，發現高分子聚合物材料在相同機械零件加工過程中能夠獲得高于普通注塑加工工藝77.64%的拉伸強度[6]。

本文在參考相關文獻的基礎上，對多種高分子有機聚合物材料（光敏樹脂試件、聚對苯二甲酸乙二醇酯-1，4-環己烷二甲醇酯材料、PA材料、PAII材料、ABS-M30）應用于增材制造的機械性能進行了實驗分析，所得結果如表2所示。

2.2 金屬材料

利用金屬材料進行增材制造，主要運用的金屬材料有不銹鋼、鎳合金、鈷鉻合金、鈦合金以及其他部分低熔點金屬等。與傳統的減材加工工藝相比，利用增材制造工藝進行加工對合金性能的要求和需求存在很大的差異。

國內學者利用EBF3（電子束自由制造）技術對金屬材料增材制造性能進行分析。結果發現，利用增材制造技術對同一類金屬材料進行另加加工，成型后的零件的機械性能明顯由于傳統加工材料。黃文普等（2016）用電子束熔融技術制備Ti-6AI-4V試件運用于增材制造時的性能優勢進行了分析，惹我內在抗拉強度上可以達到同等材料進行鍛件加工時的性能?？梢?，利用金屬材料進行增材制造能夠在產品性能上完全滿足產業需求。本文認為，利用激光立體成型技術對金屬材料進行增材制造，能夠獲得加高的加工效率，且加工成型的零件具有一般減材加工不具備的力學性能。為改善成型零件的機械性呢個，激光立體成型技術進行增材制造可以與傳統減材制造進行進行結合，進行優勢互補。

張瑋航等（2017）應用直接金屬激光燒結技術進行鈦合金牙齒增材制造，對傳統工藝與該工藝生產的牙齒機械性能進行了對比，結果顯示利用增材制造進行加工成型的鈦合金牙齒拉伸強度達到了182.8+138.6MPa;屈服強度達到了1368.9+108.6MPa;延伸率達到了32.6%±1.75%;維氏硬度（HV）為386.87 - 439.38.整體性能優異高于一般醫用標準。AISi10Mg Speedl.0在對產品進行二次優化以后，利用增材制造技術進行加工獲得了高達375MPa的抗拉強度以及235MPa的屈服強度。周隱玉等（2016）利用電子束熔融技術對Ti60合金零件進行增材制造并分析了其機械性能，發現利用增材制造技術加工成型的Ti60合金零件硬度比傳統鍛造工藝加工零件更高;在室溫和600。C高溫時，拉伸強度均較傳統鍛造工藝加工零件更高?？梢?，與傳統加工工藝相比，利用增材制造進行金屬零件加工能夠獲得機械性能方面的顯著提升。

3 增材制造產品機械性能變化原因

不論金屬或非金屬材料，在對進行增材制造時往往存在一些通病，機械穩定性通常無法與傳統制造工藝相比。在對影響增材制造產品機械性能進行研究的過程中，高士友等（2017）發現，材料的填充率會對增材制造成型零件的強度和剛度產生正面影響[11].唐通鳴等（2015）在對增材制造球化現象進行分析時，采用直接金屬激光燒結技術對316L不銹鋼粉末進行處理，最終得出結論利用金屬材料進行增材制造中一旦出現球化現象會導致加工工件表面燒結層出現空隙，一定程度上影響加工工件的強度[12]。增材制造其他影響機械加工件穩定性的因素還有：冷卻速率、夾雜情況、工藝流程、材料表面球形度、金屬粉末顆粒直徑等。對于增材制造加工技術而言，顆粒均勻、尺寸一致的金屬或非金屬粉末是最理想的增材制造材料。

4 增材制造產品機械性能改進方法

4.1 非金屬材料

為進一步改進非金屬材料增材制造零件的性能，國內外許多學者對相關材料、制造工藝等進行了深入研究，希望獲得更多改進增材制造產品機械性能的方法。有學者根據自己研究領域，在ABS塑料添加了填充材料，從而使該材料的力學性能在共混改性的基礎上的到了提升。

本文通過實驗和理論分析，對非金屬材料增材制造的機械性能改進方法進行了總結，認為可以從4個方面人手進行優化：①將利用優化連續本體法對ABS塑料的性能進行優化，從而從主體材料方面獲得成本更低、熱穩定性更好、強度更高的非金屬增材制造材料;②將含有10%氣相生長碳纖維增強材料與ABS塑料進行混合，獲得填充后的增材制造耗材，增強材料的拉伸強度和拉伸彈性模量;③通過與其他材料如部分金屬粉末等進行熔融共混，獲得改性后的復合材料;④通過對加工零件的尺寸進行重新設計，使之與非金屬材料增材制造更加匹配的輪廓寬度等數據，從而提升零件的機械性能。根據相關實驗表明，不同同苯乙烯類嵌段共聚物與ABS塑料進行熔融共混，能夠獲得最佳成本、熱穩定性以及材料強度;在ABS塑料中加入苯乙烯共聚物，能夠獲得最佳的韌性;增材制造成型件的機械強度和剛度會隨非金屬材料填充率的增大而增大;當成型件的輪廓寬度設置為0.4 - 1.2mm范圍內時，成型件的抗拉強度與成型件的輪廓寬度變化趨勢相同。

4.2 金屬材料

利用金屬材料進行增材制造可以主要通過2個方面進行性能優化：①利用非金屬復合材料等來對金屬增材制造方式進行優化，如利用nHA材料在激光選區熔化技術中含量變化對材料性能的影響，來對增材制造的最終成型件性能進行影響，當nHA含量為5%時，采用金屬復合材料增材制造加工而成的成型件與純不銹鋼成型件之間并沒有過多的性能差異，隨著nHA含量的提升，成型件與純不銹鋼在抗拉強度與致密度方面的差距越來越大，需要在進行金屬材料增材制造時需要設計合理的材料配比，以期獲得能夠達到最佳抗拉強度和致密度的成型件;②通過對增材制造加工過程中激光功率和掃描速率進行調整，能夠有效避免增材制造過程中出現材料的球化以及翹曲，從而整體提升金屬或金屬復合材料成型件的機械性能。

整體而言，想要在增材制造工藝中迅速提升金屬或金屬復合材料的整體機械性能難度極大，普通的成型技術從力學角度分析主要會收到內部應力結構的影響，從而無法從成型件剛度和強度角度進行性能優化。因此，想要從根本上對成型件的機械性能進行優化，單純依靠改變材料的內部應力結構已經無法實現，必須從增材制造技術根本工藝人手進行改良。

5 結語

綜上所述，文章基于金屬、非金屬增材制造材料及產品機械性能進行了研究，增材制造技術能夠通過計算機與數控系統，將專用的加工材料按照擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，最終制造出預期實體產品。本文所得結論能夠為我國增材制造領域的發展提供理論依據和數據支持。

參考文獻

[1]余旺旺，張杰，吳金絨，打印方式對熔融沉積（FDM）產品力學性能的影響[J].塑料工業，2016，44（8）：41-43+57.

[2]王波群，揭曉華，李友余，三維打印聚乳酸基石墨烯復合材料生物支架的工藝與性能研究[J].機械制造，2017，55（7）：88-90.

[3]李進寶，商碩，孫有政.Incone1625激光直接金屬沉積成形參數無量綱化及其對單道幾何形貌的影響[J].中國激光，2017，44（3）：1-9.

[4]張勝，徐艷松，孫姍姍.3D打印材料的研究及發展現狀[J].中國塑料，2016，30（1）：7-14.

[5]張江濤，胡中偉，朱澤朋.熔融沉積成形件的表面霧化拋光實驗研究[J].機械科學與技術，2017，36（6）：960-964.

[6]遲百宏，解利楊，高曉東.FDM工藝中構建取向對塑料制品力學性能的影響[J].塑料，2015，44（4）：40-42.

[7]黃文普，喻寒琛，殷杰，等.激光選區熔化成形K4202鎳基鑄造高溫合金的組織和性能[J].金屬學報，2016，52（9）：1089-1095.

[8]張瑋航，張虎，李英姿，等.3D打印激光快速成型牙種植體的制備及其機械性能分析[J].吉林大學學報（醫學版），2017，43（1）：52-56+216.

[9]周隱玉，王飛，薛春.3D打印18Ni300模具鋼的顯微組織及力學性能[J].理化檢驗（物理分冊），2016，52（4）：243-246.

[10]陳帥，陶鳳和，賈長治，等.H13模具鋼選區激光熔化成型工藝及其性能研究[J].熱加工工藝，2017，46（10）：162-165.

[11]高士友，黎宇航，周野飛，等，熔融沉積（FDM）3D打印成形件的力學性能實驗研究[J].塑性工程學報，2017，24（1）：200-206.

[12]唐通鳴，陸燕，李志揚，等，新型3D打印材料ABS的制備及性能研究[J].現代化工，2015，35（7）：50-52.

作者簡介：張宏達（1981-），男，陜西鳳翔人，工程碩士，研究方向：機械設計與制造、電加工。