楊立寧，單忠德，戎文娟，劉豐，王永威

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低熔點金屬熔融三維直寫技術研究

楊立寧，單忠德，戎文娟，劉豐，王永威

(機械科學研究總院 先進成形技術與裝備國家重點實驗室，北京，100083)

針對現(xiàn)有金屬件增材制造技術存在成本高、效率低的問題，提出一種低熔點金屬熔融三維直寫技術，并適用于汽車、機床等行業(yè)中試制金屬模具及零部件的小批量、多品種、高效率、直接增材制造。首先介紹金屬熔融三維直寫技術原理，然后分析直寫噴頭的結構以及使用過程中的溫度分布情況。最后采用有限元模擬和工藝試驗相結合的方法，對薄壁金屬件的三維直寫過程進行研究。研究結果表明：金屬熔融三維直寫噴頭使用過程中的溫度沿高度呈拋物線分布，且噴頭能較好地實現(xiàn)連續(xù)導絲和高效熔絲的功能；金屬熔融三維直寫過程中溫度場分布極不均勻，且隨著成形高度增加，高溫熱影響區(qū)持續(xù)擴大，散熱路徑加長；在直寫過程中，成形件上節(jié)點處的循環(huán)性溫度變化可使得相鄰兩層間在該節(jié)點處實現(xiàn)層間重熔；采用金屬熔融三維直寫工藝可以實現(xiàn)薄壁金屬件的增材制造，金屬件層間達到冶金結合。

增材制造；三維直寫；噴頭；溫度場；薄壁件

近年來，增材制造技術取得了快速發(fā)展。金屬材料增材制造作為整個增材制造技術體系中最為前沿且最具潛力的技術，是先進制造技術的重要發(fā)展方向。經(jīng)過20多年的發(fā)展，金屬材料增材制造技術的種類已達到10多種，可加工金屬材料種類主要包括工具鋼、不銹鋼、鈦合金、鋁合金、鎳基合金、鈷鉻合金、銅基合金、金、銀等。根據(jù)材料的輸送和成形方式不同，可以將這些技術分為高能束選區(qū)燒結/熔化增材制造技術、高能束輔助沉積增材制造技術、熔融金屬直接沉積增材制造技術、金屬粉末噴墨粘接增材制造技術等四大類。目前，金屬材料增材制造技術[1?9]被廣泛應用于航空、航天、軍事、醫(yī)療等高端領域中高性能、結構復雜零部件的快速、直接制造，但由于現(xiàn)有技術及設備主要采用激光、電子束等高能束進行鈦合金、鎳基合金、鈷鉻合金、不銹鋼等高熔點金屬材料的燒結/熔化堆積成形，存在設備開發(fā)、維護及運行成本高、成形效率低的問題，嚴重制約了該技術在其他領域中的擴展應用，因此，尋求適用于中、低熔點金屬材料的低成本增材制造技術，成為該技術發(fā)展的重要方向。為此，本文作者提出一種由三維CAD模型驅動數(shù)控系統(tǒng)直接制造金屬件的增材制造方法即金屬熔融三維直寫技術。該項技術主要適用于鉍錫合金、鋅合金等中、低熔點金屬材料的成形，并可實現(xiàn)汽車制造、機床等量大面廣行業(yè)中小批量、多品種試制金屬模具及零部件的高效率、柔性化、直接增材制造，不僅能提高新產(chǎn)品的開發(fā)效率，提高企業(yè)產(chǎn)品響應市場的能力，還可以減少產(chǎn)品試制成本，為企業(yè)帶來經(jīng)濟效益。同時，由于該技術采用傳統(tǒng)電阻加熱或感應加熱的方式，因此，相比現(xiàn)有成熟金屬材料增材制造技術，在設備及運行成本方面具有明顯優(yōu)勢。本文作者基于金屬熔融三維直寫技術，首先對該技術原理進行介紹，然后對工藝核心部件直寫噴頭的結構及使用過程中的溫度分布情況進行分析，最后采用有限元模擬的方法對典型薄壁金屬件三維直寫過程溫度場進行研究，揭示直寫過程中成形件溫度場的復雜分布及變化情況，并在此基礎上采用自主開發(fā)的成形設備，進行薄壁金屬件的三維直寫成形及性能檢測。

1 金屬熔融三維直寫技術原理

金屬熔融三維直寫[10?13]技術原理如圖1所示。

固態(tài)金屬絲材在送絲輪的驅動作用下被送入下端的直寫噴頭，并被噴頭下部加熱器實時、高效熔化；噴頭末端熔融金屬在金屬絲材的推動力及重力作用下以連續(xù)液流的形式向下堆積；成形基板按照預制零件的截面輪廓和填充軌跡運動，使金屬液流有選擇性地逐層堆積在基板上，最終完成直寫成形，獲得三維金屬零件。

圖1 金屬熔融三維直寫技術原理圖

2 直寫噴頭結構及溫度分布研究

噴頭作為金屬熔融三維直寫工藝的核心零部件，對直寫過程的順利進行起到極其重要的作用。在三維直寫工藝過程中，金屬絲材被實時送入噴頭內部，并在噴頭加熱區(qū)被高效熔化、擠出。在這一過程中，若加熱區(qū)的溫度過低，則會影響金屬絲材熔化效率；而若加熱區(qū)溫度過高，則使得金屬絲材熔化速度過快，噴頭內金屬液回流，造成送絲阻力增大甚至噴頭堵塞等嚴重問題，影響成形過程的進行，因此，必須實現(xiàn)對噴頭溫度的精準控制。同時，由于直寫噴頭的體積較小，采用傳統(tǒng)熱電偶或紅外等測溫方式，不僅測溫裝置難以固定，且較難實現(xiàn)對噴頭溫度的多點精準測量。針對以上問題，本文首先對金屬熔融三維直寫噴頭結構進行了分析，并在此基礎上建立直寫噴頭溫度分布數(shù)學模型，最后對直寫噴頭使用過程中的溫度分布情況進行了有限元模擬，以便為直寫工藝過程中噴頭加熱區(qū)溫度的選擇和控制提供理論依據(jù)。

2.1 直寫噴頭結構分析

圖2所示為直寫噴頭的結構圖，噴頭主體可劃分為絲材導入段L1、加熱熔化段L2、熔融擠出段L33個區(qū)域。L2和L3段均采用導熱性能較好的紫銅，且兩段間連接緊密，這樣可以使得電阻加熱圈所產(chǎn)生的熱量能夠充分通過加熱塊和噴嘴傳遞到內部的金屬絲材，確保金屬絲材的高效熔化。L1和L2段采用直徑較小的不銹鋼管相連接，這樣可以有效減少L2段熱量向L1段傳遞，同時L1上段采用表面積較大的鋁合金散熱片，可以較快散走L1段熱量，使得L1段內金屬絲材能夠保持足夠的抗彎模量，傳遞軸向活塞推動力。

圖2 直寫噴頭結構圖

在金屬熔融三維直寫過程中，金屬絲材首先在送絲驅動輪的作用下被送入噴頭L1段內，該段金屬絲為固態(tài)，并與噴頭內壁之間存在一定間隙。當L1段金屬絲被送入L2段時，金屬絲材在紫銅加熱塊的加熱作用下逐漸軟化，并沿徑向(圖2所示方向)由外向里逐層熔化，直至形成完全熔化的金屬液。最后，熔融金屬在上端未熔化金屬絲材的活塞推進作用下，由L3段末端被擠出。

2.2 直寫噴頭溫度分布數(shù)學模型

本文采用電阻線圈對噴頭L2段進行加熱，線圈的電阻為。電阻線圈單位時間的總發(fā)熱量為其實際加熱功率，這個值可由溫控表控制脈沖的占空比0以及電源電壓進行計算，則有：

為簡便起見，本文假設噴頭溫度已進入穩(wěn)態(tài)。同時，由于噴頭L2段和L3段采用導熱性能較好的紫銅材料，兩段區(qū)域為相鄰的一個整體，且L3段的長度較小，成形過程中電阻加熱圈的熱量會迅速傳遞到L2段和L3段，使得兩段的溫度幾乎一致。因此，可將L2段視為具有單位體積發(fā)熱量為v的熱源，而噴頭的溫度分布問題則可近似為L1段和L2段的溫度分布問題。L2段既沿向L1段傳遞熱量，又沿向周圍環(huán)境傳熱，這樣噴頭L2段的單位體積等效發(fā)熱量可表示為

式中：VE為單位體積噴頭在單位時間內沿向周圍環(huán)境散發(fā)的熱量。

式中：為噴頭材料的導熱系數(shù)。

微分方程(3)的解為

式中：和為待定常數(shù)，式(4)還可以記為

2.3 直寫噴頭溫度分布數(shù)值模擬

本文基于圖2所示直寫噴頭結構，對噴頭使用過程中的溫度分布情況進行有限元模擬。在模擬過程中，設定噴頭內金屬絲材的材料為錫(Sn質量分數(shù)(Sn)= 99.9%)和鉍((Bi)=99.9%)，合金成分配比為Sn48Bi52，其固相線溫度為139 ℃，液相線溫度為150 ℃[14]，并假設噴頭內金屬絲材處于靜止狀態(tài)，噴頭和金屬絲材的初始溫度為28 ℃，在噴頭L2段紫銅加熱塊與電阻加熱圈接觸面上施加恒定160 ℃溫度載荷，噴頭其他外表面均暴露在空氣中，且周圍空氣的初始溫度也為28 ℃，相應的熱傳遞系數(shù)為30 W/(m2·K)。根據(jù)以上條件和假設，直寫噴頭溫度分布數(shù)值模擬便轉化為二維穩(wěn)態(tài)熱傳遞問題。

圖3 噴頭溫度沿z向分布曲線示意圖

圖4所示為直寫噴頭溫度達到穩(wěn)態(tài)時的整體溫度分布情況，圖5所示為穩(wěn)態(tài)時噴頭溫度沿圖4中所示路徑?(即噴頭高度)的變化情況。

圖4 穩(wěn)態(tài)時噴頭的整體溫度分布情況

圖5 穩(wěn)態(tài)時噴頭溫度沿路徑A?B的變化情況

由圖4和圖5可以看出：1) 在高度為0~39.5 mm范圍內，直寫噴頭的溫度高于Sn48Bi52合金的液相線溫度，該范圍內的金屬絲材已完全熔化，且噴頭L2和L3段的溫度最高，均達到160 ℃；2) 在高度為39.5~43.4 mm范圍內，直寫噴頭的溫度處于Sn48Bi52合金的固相線溫度和液相線溫度之間，該范圍內的金屬絲材處于軟化和被熔化的進行階段；3) 在高度為43.4~94.0 mm范圍內，直寫噴頭的溫度低于Sn48Bi52合金的固相線溫度，該范圍內的金屬絲材仍為固態(tài)；4) 穩(wěn)態(tài)時噴頭溫度沿高度呈近似拋物線分布，與本文所建立噴頭溫度分布數(shù)學模型相一致；5) 噴頭加熱塊和散熱片部分由于采用導熱系數(shù)較高的材料，且截面面積相對較大，因此，溫度沿高度下降的趨勢不明顯；6) 在不銹鋼連接管的連接段即高度為38~47 mm范圍內，溫度隨高度下降明顯，溫度梯度達到2.8×103℃/m，可見采用導熱系數(shù)和截面面積較小的不銹鋼連接管可以有效減少L2段熱量向L1段傳遞。

3 薄壁金屬件三維直寫過程研究

3.1 薄壁金屬件三維直寫過程溫度場模擬

金屬熔融三維直寫是一個液態(tài)金屬按照預設軌跡和速度逐層沉積、固化的過程，熱量的輸入和傳播貫穿整個成形過程，且熱作用過程決定了最終成形件的層間結合、應力、應變等，因此，對成形過程溫度場分布及變化規(guī)律進行研究具有重要的意義。

在金屬熔融三維直寫過程中，成形系統(tǒng)內溫度場及其他熱參數(shù)隨時間不斷變化，因此，溫度場的有限元模擬屬于非線性瞬態(tài)熱分析問題[15?17]。本文基于以上工藝特點，在考慮材料熱物性參數(shù)隨溫度變化和相變非線性行為的前提下，利用APDL語言編程建立了如圖6所示典型薄壁成形件的溫度場有限元模擬物理模型，并采用“生死單元”技術[18?20]來實現(xiàn)模擬過程中成形件上各單元按照設定路徑和速度的連續(xù)激活。

圖6 薄壁成形件溫度場有限元模擬物理模型

物理模型的下部分為成形底板，底板長×寬×高為60 mm×40 mm×5 mm，底板上方為薄壁金屬件，外形長×寬×高為30 mm×30 mm×12.6 mm，壁厚為1 mm。采用ANSYS中的Solid70熱單元進行網(wǎng)格劃分，該單元有8個節(jié)點且每個節(jié)點上只有1個溫度自由度，可用于三維靜態(tài)或瞬態(tài)的熱分析，能實現(xiàn)3個方向勻速熱流的傳遞。根據(jù)實際成形情況，底板和金屬件的材料均為Sn48Bi52合金，單層沉積厚度為 0.7 mm。最終將成形件劃分為1.0 mm×1.0 mm× 0.7 mm的單元，共計18層，2 088個單元，基板則采用較大的單元網(wǎng)格進行劃分，這樣可以節(jié)省模擬時間。在模擬過程中，成形底板的初始溫度設定為100 ℃，底板和成形件與周圍空氣接觸表面為自然對流換熱，周圍空氣的初始溫度為28 ℃，相應的熱傳遞系數(shù)為30 W/(m2·K)。

采用上述物理模型，由成形件第一層右下角單元開始，按照逆時針路徑順序逐層激活每個單元。被激活單元具有熔融金屬溫度(160 ℃)，作用時間(按照掃描速度為4 mm/s來計算)為0.25 s。薄壁金屬件三維直寫過程的溫度場演變模擬結果如圖7所示，圖7(a)~(f)所示分別為成形件第3層、第6層、第9層、第12層、第15層和第18層成形結束時所對應的溫度場分布情況。

由圖7可以看出：1) 薄壁件成形過程中溫度場分布極不均勻，被激活單元及其附近區(qū)域溫度較高，遠離被激活單元區(qū)域溫度則相對較低；2) 隨著成形件上逐層單元按照逆時針路徑順序被逐個激活及隨后冷卻，溫度場在被激活單元后面形成明顯的拖尾；3) 隨著成形高度增加，成形件上最高溫度點逐漸遠離底板，散熱路徑加長，高溫熱影響區(qū)持續(xù)擴大，成形件溫度場沿高度方向呈垂直向上的梯度分布。

圖8所示為薄壁件成形過程中第9層上節(jié)點隨時間變化經(jīng)歷熱循環(huán)的曲線，由圖8可見：1) 熱循環(huán)曲線由若干溫度波峰和波谷組成，且隨著成形過程的進行，溫度的震蕩幅度不斷減小，峰值不斷降低；2) 在整個熱循環(huán)曲線中，有2個溫度波峰值高于Sn48Bi52合金的液相線溫度150 ℃，第1個波峰由第9層上節(jié)點下端單元被激活時形成，第2個波峰由第10層上節(jié)點上端單元被激活時形成。在熱循環(huán)曲線中如果溫度波峰值高于150 ℃，說明該點處于熔化狀態(tài)，結合金屬熔融三維直寫過程，當?shù)?層上節(jié)點處有熔融金屬沉積時，形成第1個溫度波峰值，當?shù)?0層上節(jié)點處有熔融金屬沉積時，形成第2個溫度波峰值，此時第9層和第10層在節(jié)點處實現(xiàn)層間重熔，并形成冶金結合；3) 節(jié)點處溫度經(jīng)歷峰值后又會迅速下降，這是由于當溫度載荷施加到點附近單元上時，節(jié)點的溫度會迅速上升到峰值，但隨后激活單元逐漸遠離節(jié)點，而節(jié)點附近單元又以傳導和輻射的方式向周圍傳遞熱量，由于溫度梯度較大，熱量傳遞較快，因此節(jié)點處溫度會急速下降。

(a) 第3層；(b) 第6層；(c) 第9層；(d) 第12層；(e) 第15層；(f) 第18層

圖8 第9層上節(jié)點A處熱循環(huán)曲線

3.2 薄壁金屬件三維直寫成形試驗

本文基于以上金屬熔融三維直寫過程溫度場模擬結果，采用自主開發(fā)的成形設備進行了Sn48Bi52合金薄壁件的三維直寫成形試驗，試驗過程在噴頭孔徑為0.5 mm、送絲速度為4 mm/s、掃描速度為4 mm/s、熔融金屬溫度為160 ℃、基板溫度為100 ℃條件下進行。三維直寫成形錫鉍合金薄壁件如圖9所示。從圖9可知：該薄壁件下端為Sn48Bi52合金成形底板，底板上為直寫成形薄壁件，其外形長×寬×高為30.0 mm×30.0 mm×12.6 mm，壁厚1 mm，共18層，成形件與底板之間完全結合。

圖9 三維直寫成形錫鉍合金薄壁件

采用JSM?6510型掃描電子顯微鏡對薄壁件的層間結合情況進行觀察，結果如圖10所示。由圖10可以看出：三維直寫成形薄壁件的層間結合情況良好，并實現(xiàn)了較好的冶金結合，這與圖8所示熱循環(huán)結果相一致。

(a) 低倍；(b) 高倍

4 結論

1) 金屬熔融三維直寫噴頭溫度沿高度呈拋物線分布，且隨軸向高度的增加，溫度逐漸下降，噴頭所用材料的導熱系數(shù)以及噴頭截面面積越小，其沿高度的溫度下降越明顯。

2) 現(xiàn)有直寫噴頭結構既能實現(xiàn)加熱熔化段內金屬絲材的高效熔化，也能有效減少熱量向絲材導入段傳遞，使得該段內金屬絲材能夠保持足夠的抗彎模量，傳遞軸向活塞推動力。

3) 金屬熔融三維直寫過程中溫度場分布極不均勻，且溫度場在被激活單元后面形成明顯拖尾。隨著成形高度增加，高溫熱影響區(qū)持續(xù)擴大，散熱路徑加長，溫度場沿高度方向呈垂直向上的梯度分布。

4) 在薄壁金屬件三維直寫過程中，成形件上相鄰兩層連接點處所經(jīng)歷的熱循環(huán)曲線由若干溫度波峰和波谷組成，且隨著成形過程的進行，溫度的震蕩幅度不斷減小，峰值不斷降低。同時，連接點處所經(jīng)歷的熱循環(huán)曲線中有2個溫度波峰值高于成形材料的液相線溫度，說明在該連接點處實現(xiàn)了上下兩層間的重熔。

5) 采用金屬熔融三維直寫工藝可以實現(xiàn)薄壁金屬件的增材制造，并使得零件層間達到冶金結合。

[1] BUCHBINDER D, SCHLEIFENBAUM H, HEIDRICH S, et al. High power selective laser melting (HP SLM) of aluminum parts[J]. Physics Procedia, 2011, 12(1): 271?278.

[2] 李懷學, 鞏水利, 孫帆, 等. 金屬零件激光增材制造技術的發(fā)展及應用[J]. 航空制造技術, 2012, 55(20): 26?31. LI Huaixue, GONG Shuili, SUN Fan, et al. Development and application of laser additive manufacturing for metal component[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2012, 55(20): 26?31.

[3] 孫會來, 趙方方, 林樹忠, 等. 激光熔覆研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 激光雜志, 2008, 29(1): 4?6. SUN Huilai, ZHAO Fangfang, LIN Shuzhong, et al. Research progress and development trend on laser cladding[J]. Laser Journal, 2008, 29(1): 4?6.

[4] NIKOLAS H, TIMOTHY Q. Effects of processing on microstructure and mechanical properties of a titanium alloy (Ti-6Al-4V) fabricated using electron beam melting (EBM)[J]. Materials Science & Engineering, 2013, 573(3): 264?277.

[5] 顏永年, 齊海波, 林峰, 等. 三維金屬零件的電子束選區(qū)熔化成形[J]. 機械工程學報, 2007, 43(6): 87?92. YAN Yongnian, QI Haibo, LIN Feng, et al. Produced three-dimensional metal parts by electron beam selective melting[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2007, 43(6): 87?92.

[6] 楊光, 鞏水利, 鎖紅波, 等. 電子束快速成形TC18合金多次堆積的組織特征研究[J]. 航空制造技術, 2013, 56(8): 71?74. YANG Guang, GONG Shuili, SUO Hongbo, et al. Microstructure characterization of multi-deposited TC18 alloy by electron beam rapid manufacture[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2013. 56(8): 71?74.

[7] SUN S H, KOIZUMI Y, KUROSU S, et al. Build direction dependence of microstructure and high-temperature tensile property of Co-Cr-Mo alloy fabricated by electron beam melting[J]. Acta Materialia, 2014, 64(2): 154?168.

[8] 戴曉琴, 陳瀚寧, 雷劍波, 等. 激光增材制造304不銹鋼顯微結構特征與性能研究[J]. 熱加工工藝, 2017, 46(16): 83?86. DAI Xiaoqin, CHEN Hanning, LEI Jianbo, et al. Study on microstructure characteristics and properties of 304 stainless steel by laser additive manufacturing[J]. Hot Working Technology, 2017, 46(16): 83?86.

[9] 楊毅, 王劍彬. 激光直接快速成形金屬零件的研究進展[J]. 熱處理技術與設備, 2006, 27(3): 13?17.YANG Yi, WANG Jianbin. Research progress of laser direct rapid forming metallic components[J]. Heat Treatment Technology and Equipment, 2006, 27(3): 13?17.

[10] 楊立寧. 低熔點金屬熔融三維直寫技術及設備基礎研究[D]. 北京: 機械科學研究總院, 2016: 19?25. YANG Lining. Basic study on 3D direct writing technology and equipment of low melting point molten metal[D]. Beijing: China Academy of Machinery Science & Technology, 2016: 19?25.

[11] 楊立寧, 單忠德, 戎文娟, 等. 金屬件熔融堆積3D打印過程熱應力場數(shù)值模擬[J]. 鑄造技術, 2016, 37(4): 753?758. YANG Lining, SHAN Zhongde, RONG Wenjuan, et al. Numerical simulation of thermal stress field in 3d printing technology based on metal fused and deposition[J]. Foundry Technology, 2016, 37(4): 753?758.

[12] 單忠德, 楊立寧, 戎文娟, 等. 熔融堆積3D打印成形金屬件層間結合研究[J]. 機械設計與制造, 2016(8): 135?137. SHAN Zhongde, YANG Lining, RONG Wenjuan, et al. The study on parts' interlayer binding during three-dimensional printing based on metal fused and deposition[J]. Machinery Design & Manufacture, 2016(8): 135?137.

[13] 劉煒, 單忠德, 戎文娟, 等. 金屬熔融三維直寫噴頭結構優(yōu)化研究[J]. 鑄造技術, 2016, 37(6): 1261?1264, 1268. LIU Wei, SHAN Zhongde, RONG Wenjuan, et al. Optimization study on molten metal 3D direct writing nozzle[J]. Foundry Technology, 2016, 37(6): 1261?1264, 1268.

[14] 劉堯, 李風. 半固態(tài)成形工藝對Sn-Bi合金性能的影響[J]. 廣東工業(yè)大學學報, 2008, 25(4): 24?27. LIU Yao, LI Feng. The effect of semi-solid processing technology on the performance of Sn-Bi alloy[J]. Journal of Guangdong University of Technology, 2008, 25(4): 24?27.

[15] 紀良波. 熔融沉積成型有限元模擬與工藝優(yōu)化研究[D]. 南昌: 南昌大學機電工程學院, 2011: 25?26. JI Liangbo. Research on the finite element simulation and process optimization in fused deposition modeling[D]. Nanchang: Nanchang University. School of Mechanical & Electronic Engineering, 2011: 25?26.

[16] 魏雷, 林鑫, 王猛, 等. 金屬激光增材制造過程數(shù)值模擬[J]. 航空制造技術, 2017, 60(13): 16?25. WEI Lei, LIN Xin, WANG Meng, et al. Numerical simulation on laser additive manufacturing process for metal components[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2017, 60(13): 16?25.

[17] 孫福臻, 曲文峰, 楊立寧, 等. 同步送粉式激光熔覆過程溫度場數(shù)值模擬[J]. 機械設計與制造, 2017(10): 126?128. SUN Fuzhen, QU Wenfeng, YANG Lining, et al. Numerical modeling on temperature field of synchronous powder feeding laser cladding[J]. Machinery Design & Manufacture, 2017(10): 126?128.

[18] 宋建麗, 李永堂, 鄧琦林, 等. 激光熔覆成形技術的研究進展[J]. 機械工程學報, 2010, 46(14): 29?38. SONG Jianli, LI Yongtang, DENG Qilin, et al. Research progress of laser cladding forming technology[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2010, 46(14): 29?38.

[19] 左鐵釧, 陳虹. 21世紀的綠色制造—激光制造技術及應用[J]. 機械工程學報, 2009, 45(10): 106?110. ZUO Tiechuan, CHEN Hong. Green manufacture in 21 century: Laser manufacturing technology and application[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2009, 45(10): 106?110.

[20] 姚山, 曾峰. 新的激光快速成形方法及應用[J]. 機械工程學報, 2007, 43(5): 230?234. YAO Shan, ZENG Feng. New laser rapid prototyping method and its applications[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2007, 43(5): 230?234.

(編輯 楊幼平)

Three-dimensional direct writing technology of low melting point molten metal

YANG Lining, SHAN Zhongde, RONG Wenjuan, LIU Feng, WANG Yongwei

(State Key Laboratory of Advanced Forming Technology & Equipment, China Academy of Machinery Science & Technology, Beijing 100083, China)

For the additive manufacturing technologies of metal part have some problems, such as high cost and low efficiency, three-dimensional direct writing of low melting point molten metal, a new type of high-efficiency and directly metal parts additive forming technology was proposed. This technology is suitable for the trial manufacture of small batch and complex metal mould and parts in automobile, machine tool and other industries. Firstly, the principle of three-dimensional direct writing technology was introduced. Then, the structure of direct writing nozzle and its temperature distribution during use were analyzed. At last, by using the method of combining finite element simulation with process test, the three-dimensional direct writing process of thin-walled metal part was studied. The results show that the temperature of the direct writing nozzle is distributed in parabola along the height, and the nozzle can realize the functions of continuous guide wire and high efficiency fuse. In the process of three-dimensional direct writing, the temperature distribution is extremely uneven, and with the increase of forming height, the high temperature heat affected zone continues to expand, and the heat dissipation path becomes longer. The cyclic temperature variation at the node of the formed part causes interlayer remelting between the adjacent two layers. The thin-wall metal part can be realized by using the three-dimensional direct writing technology of molten metal, and the metallurgical integration between the interlayer of the formed parts is achieved.

additive manufacturing; three-dimensional direct writing; nozzle; temperature field; thin-wall part

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.10.006

TH164

A

1672?7207(2018)10?2405?08

2017?10?10；

2017?12?26

國家杰出青年科學基金資助項目(51525503)；北京市科技計劃項目(Z151100003715004)；機械科學研究總院技術發(fā)展基金資助項目(201406)(Project(51525503) supported by the National Science Fund for Distinguished Young Scholars; Project (Z151100003715004) supported by the Science and Technology Program of Beijing; Project(201406) supported by the Technical Development Fund Project of China Academy of Machinery Science & Technology)

單忠德，研究員，博士生導師，從事綠色制造技術與裝備研究；E-mail：shanzd@cam.com.cn