中國(guó)粉體網(wǎng)訊 金剛石具有較高硬度和良好的耐磨性，是制備切削等加工工具的理想材料。傳統(tǒng)金剛石工具制備方法主要有熱壓燒結(jié)法、電鍍法、釬焊法與無(wú)壓浸漬法等。熱壓燒結(jié)法制備金剛石工具時(shí)，由于配方設(shè)計(jì)和制造工藝等原因，金剛石工具在使用過(guò)程中常發(fā)生金剛石脫落等非正常磨損現(xiàn)象，同時(shí)熱壓燒結(jié)也很難滿(mǎn)足異型、超薄或微型金剛石工具的制備要求，并存在成本高和工藝周期長(zhǎng)等問(wèn)題。相比傳統(tǒng)制造技術(shù)，增材制造技術(shù)能從根本上解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)件創(chuàng)新設(shè)計(jì)和高效成型的問(wèn)題，是高性能金剛石工具制造的有效方法。
目前，全球尖端制造業(yè)由原先的減材、等材制造逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樵霾闹圃欤瑢⒄w制造業(yè)水平推向了一個(gè)新的高度。增材制造技術(shù)以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將粉末或絲材狀金屬、塑料等可黏合材料通過(guò)逐層堆積方式來(lái)構(gòu)造實(shí)體外形，具有精度高、周期短、浪費(fèi)小等特點(diǎn)。基于此國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)多種增材制造技術(shù)成型了金剛石砂輪、鋸片、鉆頭等工具，如立體光固化（SLA）、選擇性激光熔化（SLM）和選擇性激光燒結(jié)（SLS）等，為高效制造復(fù)雜、高精度金剛石工具提供了新思路。增材制造金剛石工具已應(yīng)用于航空航天、新材料、軌道交通、醫(yī)療器械等關(guān)鍵領(lǐng)域，并呈現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景。
增材制造技術(shù)
根據(jù)成型方法的不同，增材制造金剛石工具制備目前主要分為直接式與間接式。直接式通過(guò)高能束將胎體粉末（金剛石與金屬或金屬間化合物的混合料）燒結(jié)/熔化成型，如選擇性激光燒結(jié)與選擇性激光熔化，或是通過(guò)紫外光/直寫(xiě)將胎體漿料（金剛石與光敏樹(shù)脂等高分子的混合液）固化成型，如立體光固化與漿料直寫(xiě)成型（DIW）。間接式通過(guò)擠出將胎體喂料（金剛石、金屬或陶瓷及高分子的混合料）按模型形狀成型，經(jīng)脫脂處理后進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，冷卻出爐得到成品，如熔融沉積成型燒結(jié)（FDM）。
1.選擇性激光燒結(jié)技術(shù)
選擇性激光燒結(jié)技術(shù)由美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Dechard于1989年首次提出，通過(guò)CO2激光束將低熔點(diǎn)金屬與有機(jī)粘結(jié)劑混合粉末材料燒結(jié)，并利用計(jì)算機(jī)控制層層堆積成型。工業(yè)設(shè)備主要包括主機(jī)、控制系統(tǒng)和冷卻器三部分，具體成型流程如下：首先通過(guò)下面兩種方法完成信息-離散處理過(guò)程并導(dǎo)入成型
機(jī)，然后在計(jì)算機(jī)的控制下進(jìn)行逐層掃描燒結(jié)。第一種通過(guò)CAD建模所需的立體零件，再導(dǎo)入simplify3D切片軟件進(jìn)行切片；第二種將逆向工程中得到的三維圖形文件格式轉(zhuǎn)換為STL文件格式，再用simplify3D切片軟件切片出所需厚度的有序片層。成型開(kāi)始前利用基板預(yù)熱將粉末原料加熱到稍低于燒結(jié)點(diǎn)的某一溫度，成型開(kāi)始時(shí)供粉倉(cāng)上移，鋪粉滾筒將粉料均勻的鋪在成型缸加工表面上，激光束根據(jù)預(yù)先設(shè)置的速度和能量密度信息在第一層進(jìn)行掃描，然后將成型缸下移，供粉倉(cāng)上移，鋪粉滾筒再次進(jìn)行鋪粉，激光束按第二層信息進(jìn)行掃描燒結(jié)，通過(guò)層層疊加得到三維實(shí)體零件。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是材料選擇范圍廣，原則上無(wú)需支撐結(jié)構(gòu)，材料利用率高，成型速度快；主要缺點(diǎn)是成型件的強(qiáng)度和精度較差，能量消耗高，后處理工藝復(fù)雜，成型件變形較大。該技術(shù)主要被應(yīng)用在快速制備鑄造件方面。
選擇性激光燒結(jié)技術(shù)原理示意圖
2.選擇性激光熔化技術(shù)
選擇性激光熔化技術(shù)來(lái)源于選擇性激光燒結(jié)成型思想，兩者的主要區(qū)別在于前者利用Nd-YAG或光纖激光將金屬粉末完全熔化成型，顯著提高了成型件的相對(duì)密度，同時(shí)還突破了大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件高效、穩(wěn)定成型的難題。選擇性激光熔化技術(shù)設(shè)備主要由打印腔體、激光振鏡系統(tǒng)、氣流循環(huán)系統(tǒng)、過(guò)濾系統(tǒng)等組成。選擇性激光熔化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是成型過(guò)程中粉末完全熔化，得到的打印件相對(duì)密度高、精度和性能優(yōu)異。其主要缺點(diǎn)是成本高、設(shè)備操作復(fù)雜。此技術(shù)主要應(yīng)用于包括鋁合金、鈦合金、鎂合金和鐵基合金等金屬基材料的成型。
選擇性激光熔化技術(shù)原理示意圖
3.立體光固化技術(shù)
立體光固化技術(shù)以液態(tài)光敏樹(shù)脂和石蠟為材料，兩者在打印過(guò)程中相輔相成、共同作用，通過(guò)激光束選擇性地層層固化成型。具體成型流程如下：打印開(kāi)始前將成型平臺(tái)固定于距液體表面一層的樹(shù)脂槽內(nèi)，打印開(kāi)始時(shí)激光通過(guò)選擇性的固化光進(jìn)行打印，當(dāng)一層打印完成后，對(duì)模型的整個(gè)橫截面進(jìn)行掃描使打印部分固化，成型平臺(tái)上移，刮刀給表面覆上新的一層，重復(fù)以上過(guò)程直到模型打印完成。打印完成后，模型處于柔軟、未完全固化的狀態(tài)，如果需要較高的力學(xué)性能和熱性能，就需要在紫外光下進(jìn)行進(jìn)一步的后處理。立體光固化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是成型速度快，自動(dòng)化程度高，尺寸精度高，表面品質(zhì)好，可以達(dá)到磨削加工的表面效果；其主要缺點(diǎn)是需要支撐結(jié)構(gòu)，成型過(guò)程發(fā)生物理和化學(xué)變化，容易翹曲變形，原材料有污染，需要固化處理，機(jī)加工性能差，成型件易吸濕膨脹，抗腐蝕能力較差。主要應(yīng)用于復(fù)雜、高精度的精細(xì)零件。
立體光固化技術(shù)原理示意圖
4.直寫(xiě)成型技術(shù)
直寫(xiě)成型技術(shù)通過(guò)主動(dòng)或靜態(tài)混料裝置使不同組分的漿料混合均勻，并通過(guò)漿料擠出裝置將漿料層層沉積在平臺(tái)形成零件實(shí)體，該方法的核心是漿料以絲狀形式擠出進(jìn)而快速凝固保持長(zhǎng)絲的形狀。直寫(xiě)成型技術(shù)技術(shù)按墨水輸出結(jié)構(gòu)類(lèi)型分為線形直寫(xiě)成型和液滴直寫(xiě)成型。
直寫(xiě)成型技術(shù)技術(shù)原理示意圖
對(duì)于線形直寫(xiě)成型，首先由CAD設(shè)計(jì)三維結(jié)構(gòu)圖形，通過(guò)控制Z軸上的漿料輸送位置，漿料由針嘴擠出的線形流體在X‒Y平臺(tái)成型出第一層結(jié)構(gòu)。第一層結(jié)構(gòu)完成后，Z軸漿料輸送裝置上移至第二層漿料的成型高度，通過(guò)這樣的逐層疊加過(guò)程可獲得傳統(tǒng)成型工藝無(wú)法制備的復(fù)雜精密三維周期結(jié)構(gòu)。與線形直寫(xiě)成型不同的是，液滴直寫(xiě)成型過(guò)程中懸浮液是單個(gè)離散的液滴，而不是連續(xù)的線形流體。液滴直寫(xiě)成型可分為連續(xù)滴定和按需滴定兩類(lèi)。在連續(xù)滴定成型過(guò)程中，連續(xù)的流體懸浮液從噴嘴處噴出單個(gè)離散的液滴，經(jīng)偏轉(zhuǎn)沉積，成型的液滴會(huì)在基底預(yù)先設(shè)計(jì)的位置以溶劑蒸發(fā)、化學(xué)反應(yīng)和冷卻等方式固化。直寫(xiě)成型技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是成型過(guò)程無(wú)需模具，生產(chǎn)周期短、效率高、成本低，可根據(jù)需求便捷地改變樣品的形狀和尺寸，生產(chǎn)靈活，控制精確，原材料種類(lèi)多樣化，有無(wú)機(jī)非金屬、金屬和有機(jī)聚合物等。直寫(xiě)成型技術(shù)是制備毫米級(jí)多孔陶瓷的常用方法，主要應(yīng)用于制備刀具、生物、光學(xué)、電子等領(lǐng)域的功能材料。
5.熔融沉積成型燒結(jié)
熔融沉積成型燒結(jié)技術(shù)是將絲狀熱塑性材料經(jīng)噴頭加熱熔化后，在計(jì)算機(jī)控制下使噴嘴移動(dòng)位置至前一層已固化的表面并擠出熔絲，最后逐層堆積形成三維實(shí)體。打印機(jī)包括噴頭、送料機(jī)構(gòu)、絲材、導(dǎo)向臺(tái)、加熱工作室、工作臺(tái)6個(gè)部分，具體成型過(guò)程包括送料、熔融擠出和沉積三個(gè)階段。第一階段，絲材在一對(duì)驅(qū)動(dòng)齒
輪的機(jī)械擠壓作用下進(jìn)入液化器流道；第二階段，絲材經(jīng)高溫液化器流道中加熱熔融，在噴嘴擠出；第三階段，絲材經(jīng)高溫噴嘴擠出沿計(jì)算機(jī)設(shè)定的掃描路徑沉積在打印平臺(tái)上并迅速凝固，形成打印制件的截面輪廓層，每完成一層成型，工作臺(tái)便下降一層高度，如此反復(fù)逐層沉積，直至完成整個(gè)制件的成型。熔融沉積成型燒結(jié)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是成型速度快，簡(jiǎn)單易行，無(wú)公害，低成本。其主要缺
點(diǎn)是噴頭易磨損，膠液穩(wěn)定性差，需要支撐，沿成型軸垂直方向的強(qiáng)度比較弱。對(duì)于金剛石工具，熔融沉積成型燒結(jié)技術(shù)在成型過(guò)程中經(jīng)歷的最高溫度通常低于金剛石的碳化溫度，有利于保留金剛石原有特性，但沿成型方向強(qiáng)度不足，因此其更適用于制備諸如超薄金剛石鋸片的金剛石工具。
熔融沉積成型燒結(jié)技術(shù)原理示意圖
增材制造金剛石工具
1. 金剛石砂輪
金剛石砂輪具有磨削性能優(yōu)異和抗磨損能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在工程陶瓷、玻璃鋼、硬質(zhì)合金等難加工材料的磨削加工中獲得了廣泛應(yīng)用。
2.金剛石鉆頭
金剛石鉆頭主要應(yīng)用在石油鉆井、地質(zhì)礦產(chǎn)鉆探和科學(xué)鉆孔鉆探等領(lǐng)域。增材制造技術(shù)主要通過(guò)改變金剛石鉆頭工作面的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化傳統(tǒng)方法制造金剛石鉆頭的性能，提高金剛石鉆頭的工作效率和壽命。
3.金剛石鋸片
金剛石鋸片廣泛應(yīng)用于混凝土、陶瓷、石材、耐火材料等硬脆材料的加工。金剛石鋸片主要由基體和刀頭兩部分組成，基體是粘結(jié)刀頭的主要支撐部分，刀頭含有金剛石磨粒，主要起切割作用。
未來(lái)展望
高性能金剛石工具設(shè)計(jì)與制造是深部鉆探、精密切/磨削加工等重要工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)外增材制造金剛石工具仍處于基礎(chǔ)研究階段，在增材制造用金剛石和胎體材料預(yù)制、金剛石熱損傷及石墨化、金剛石和胎體材料高強(qiáng)結(jié)合等方面存在諸多挑戰(zhàn)，需要繼續(xù)深入研究。未來(lái)的研究需要集中在開(kāi)發(fā)新型的材料制備技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)增材制造用金剛石和胎體材料的精確預(yù)制；深入探究增材制造過(guò)程中的熱行為，建立有效的熱控制模型，減少金剛石的熱損傷和石墨化；同時(shí)，不斷創(chuàng)新界面結(jié)合技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化界面微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，提高金剛石與胎體材料的結(jié)合強(qiáng)度，從而推動(dòng)增材制造金剛石工具向?qū)嵱没透咝阅芑较虬l(fā)展。
參考來(lái)源：
魏瑛康等: 增材制造技術(shù)在金剛石工具制備中的應(yīng)用研究進(jìn)展
陶亞坤等：增材制造金剛石工具研究現(xiàn)狀及展望
王建宇等：金剛石磨粒工具增材制造技術(shù)現(xiàn)狀及展望
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/留白）
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