《Journal of Manufacturing and Materials Processing》：Study of Thermophysical and Mechanical Properties of a Corrosion-Resistant Steel-Based Feedstock and Prediction of Warpage in FFF-Manufactured Green Parts
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本文介绍了对基于09Kh16N4B钢粉末（AISI 630的类似物）的喂料的热物理和力学性能进行的实验研究结果，该喂料旨在通过熔丝制造（FFF）制造生坯。研究中全面测定的喂料热物理和力学性能被用作热力学模拟的输入数据，并用于对FFF制造生坯翘曲的实验验证。本研
本文介绍了对基于09Kh16N4B钢粉末（AISI 630的类似物）的喂料的热物理和力学性能进行的实验研究结果，该喂料旨在通过熔丝制造（FFF）制造生坯。研究中全面测定的喂料热物理和力学性能被用作热力学模拟的输入数据，并用于对FFF制造生坯翘曲的实验验证。本研究的动因在于需要预测并最小化翘曲——FFF 3D打印中出现的最关键缺陷之一。研究发现，含有52 vol.%金属粉末和48 vol.%粘结剂的喂料具有最佳加工特性。模拟打印过程所需的关键热物理和力学性能均通过实验测定。杨氏模量为6500 ± 100 MPa，是纯聚甲醛（POM）的1.8倍。所得数据被用作在Digimat-AM 2023.1（Hexagon AB）——Digimat软件套件的增材制造模拟模块——中模拟FFF过程的输入。对生坯在逐层成形及后续冷却过程中的应力-应变状态进行了模拟。将数值模拟结果与通过3D扫描数字化的实验数据进行比较，证明了较高的预测精度：均方根（RMS）偏差为0.138 mm，样品的计算角位移与实验角位移之间的差异不超过5%。结果证实了模型的有效性，并证明了使用Digimat-AM预测翘曲和优化FFF工艺参数的合理性，从而可以减少实验工作量、降低产生缺陷生坯的概率并降低生产成本。
研究背景：随着现代技术的发展，用于制造几何复杂且精确生坯的新方法不断涌现，其中将增材技术（ATs）与金属注射成形（MIM）相结合的混合技术备受关注。基于逐层制造的增材技术在生坯成形阶段消除了传统MIM技术需要昂贵模具的关键限制，使经济有效的小批量生产和单件生产成为可能。在众多增材技术中，熔丝制造（FFF）和金属粘结剂喷射（MBJ）是两种主要与MIM技术结合使用的方法。FFF技术中喂料以丝材形式送入加热液化器并通过喷嘴挤出，相较于MBJ具有环境友好、设备和时间成本较低等优势。然而FFF技术使用过程中会出现影响零件几何和性能特征的问题，最常见缺陷包括沿Z轴高达27%的各向异性收缩、因空隙形成导致的密度不一致以及烧结过程中因气泡形成引起的分层。另一个关键缺陷——翘曲——发生在3D打印过程本身，由冷却过程中的高温度梯度导致显著内应力积累而引起。除原材料性能外，应力形成还受工艺参数和产品几何形状影响。目前大多数翘曲研究集中在ABS和PLA等标准材料上，而MIM技术使用的喂料由金属粉末和多组分粘结剂组成，其中粘结剂组分之一聚甲醛（POM）在冷却过程中具有显著收缩特性。FFF-MIM混合技术中的翘曲尚未得到充分研究，大多数工作致力于烧结零件的力学性能及其微观结构和孔隙率分析。为解决问题，已有专业工程模拟软件套件可用于预测和最小化翘曲效应，包括Digimat-AM、ANSYS和Abaqus等。然而针对喂料打印的翘曲预测仍研究不足。精确模拟3D打印过程需要确定材料的热力学性能，这些性能决定材料在热载荷和机械载荷下的行为，影响内应力形成进而影响成品的变形和翘曲。本研究旨在通过实验确定09Kh16N4B钢基FFF打印喂料的热物理和力学性能，将其作为Digimat-AM模拟的输入数据，并通过将数值模拟结果与物理样品的3D扫描数据进行比较来验证模型。
研究人员开展的研究及结论与意义：研究人员开发了基于09Kh16N4B耐蚀钢（Polema，图拉，俄罗斯）的喂料组合物，金属粉末含量为52 vol.%，聚合物粘结剂基于POM，用于FFF增材制造生坯。研究确定了喂料的关键热物理和力学性能，包括杨氏模量、线膨胀系数（CTE）、热容、导热系数和比容，并成功将其用作Digimat-AM 2023.1中FFF打印过程数值模拟的输入参数。通过将数值模拟结果与三个80 × 80 × 6 mm样品和一个40 × 40 × 4 mm样品的3D扫描数据进行比较进行模型验证。80 × 80 × 6 mm样品的平均RMS偏差为0.146 mm，40 × 40 × 4 mm样品的RMS偏差为0.196 mm。计算角位移与实验角位移之间的相对差异不超过5%，支持了模型及所用热物理和力学性能在所研究打印条件下的适用性。首次验证了FFF技术中使用的POM基喂料的翘曲模型，填补了研究空白，因为此前研究主要集中于ABS和PLA等标准热塑性塑料。该方法不仅能够实现可靠的翘曲预测，还允许在数字化工艺规划阶段优化打印工艺参数，从而最小化变形并提高由喂料制成的生坯的几何精度。
关键技术方法：研究人员采用激光衍射法测定金属粉末粒度分布，扫描电子显微镜（SEM）观察粉末颗粒形状及喂料中粉末分布均匀性。喂料组分在实验室混合器中真空混合制备。线膨胀系数（CTE）采用水平膨胀仪测定，热容和导热系数分别采用热容仪和导热仪测定，比容通过静水称重法确定。杨氏模量在万能液压试验机上通过滞后回线法测定。采用Digimat-AM 2023.1进行顺序耦合热力学有限元模拟，最后通过3D扫描仪对打印样品进行几何检测并与模拟结果对比验证。喂料中09Kh16N4B钢粉末由Polema（图拉，俄罗斯）提供，POM为KOCETAL K700（Kolon Plastics，金泉，韩国）。
研究结果：
3.1. 喂料性能实验研究
3.1.1. CTE测定：在23–150 °C温度范围内，CTE随温度升高而增大，符合许多聚合物材料的典型特征。150 °C以上，由于金属填料的增强效应形成刚性骨架限制复合材料的热膨胀，CTE降低。研究表明23 °C时喂料CTE为40 × 10
?6 K
?1，约为纯POM列表值（130 × 10
?6 K
?1）的1/3.3，是钢（11 × 10
?6 K
?1）的3.6倍。这是因为聚合物基体比钢具有更高的膨胀性，而金属填料的存在使CTE相对于纯聚合物降低。
3.1.2. 热容测定：所得曲线定性对应于POM等半结晶聚合物的行为。150–180 °C范围内热容的急剧增加归因于POM结晶相的熔化。加热至350 °C时观察到与材料热降解（分解）开始相关的热效应。
3.1.3. 导热系数测定：导热系数随温度升高单调降低，为结晶聚合物的典型特征。在120–130 °C范围内观察到高温松弛转变，由一个组分的非晶相在结晶区约束下的运动性引起。180 °C以上导热系数的进一步降低归因于热膨胀引起的材料密度降低。
3.1.4. 杨氏模量测定：根据三个滞后回线确定的平均杨氏模量为6500 ± 100 MPa，是纯POM列表值（3600 MPa）的1.8倍，表明金属填料使复合材料刚度显著增加并相应减少弹性变形。
3.1.5. 比容测定：23 °C环境温度下通过静水称重法测定喂料密度，进行五次重复测量。平均密度为4.35 ± 0.03 g/cm
3，比容按密度的倒数计算。
3.2. Digimat-AM中产品翘曲模拟：将实验测定的喂料热物理和力学性能用作Digimat-AM 2023.1中模拟3D打印过程的输入数据。对80 × 80 × 6 mm和40 × 40 × 4 mm两种板几何形状模拟FFF打印过程，后者用于评估模型对不同尺寸和不同厚宽比样品的适用性。研究了样品高度方向有限元数量对计算精度的影响，发现20–30个有限元即可达到足够精度，进一步细化网格仅导致计算偏差的微小减小而显著增加计算成本。模拟获得了样品体积上计算位移的分布，最小位移值（蓝色）对应于距原始几何偏差最小的区域，最大位移值（红色）集中在样品角部区域。分析表明最大几何偏差出现在板的角和边缘区域，由冷却过程中非均匀温度场引起。为验证模拟结果，在Bambu Lab P1S 3D打印机上制造物理样品，使用Scantech Simscan 30 3D扫描仪对样品几何进行数字化。通过Geomagic Control X 2020.1软件生成偏差图比较打印样品几何与模拟结果，大部分样品表面位于绿色区域表明几何再现准确。定量评估采用RMS偏差：三个80 × 80 × 6 mm样品的RMS值分别为0.138、0.184和0.115 mm，均值±标准差为0.146 ± 0.035 mm；40 × 40 × 4 mm样品的RMS值为0.196 mm。在±0.2 mm公差限内的表面点比例分别为97.35%和95.27%。实验数据与模拟结果的比较显示出高度一致性，计算角位移与测量角位移之间的相对差异不超过5%。
讨论部分总结：本研究首次测定了基于09Kh16N4B耐蚀钢的FFF打印热塑性喂料的热物理和力学性能。通过实验确定了CTE、热容、导热系数、杨氏模量和比容，使逐层制造过程的模拟和Digimat-AM 2023.1中生坯翘曲的预测成为可能。计算角位移几何与3D扫描实验数据几何的比较显示差异不超过3%。RMS偏差为0.138 mm，作为定量标准。该结果证明了计算模型与实验数据的高度一致性，证实了所用热物理和力学性能集的正确性和对Digimat-AM 2023.1软件环境中翘曲预测的充分性。值得注意的是，大多数现有研究致力于模拟未填充热塑性塑料（ABS、PLA）的翘曲，对于金属填充系统尤其是具有POM基半结晶基体的系统，此类验证首次进行。模拟结果表明最大变形集中在角部区域，与其他材料的研究结果一致。与无定形ABS塑料不同，本研究的POM基喂料中翘曲的重要贡献不仅来自冷却过程中的热收缩，还可能来自聚合物结晶相关的收缩。POM的结晶发生在150–180 °C范围内，表现为热容的急剧变化。结晶时比容的降低导致额外的体积收缩并可能促进残余应力的积累，这可能解释在可比几何参数下比无定形聚合物更高的变形。热收缩和结晶收缩共同作用，其对总翘曲的贡献取决于冷却条件和收缩的空间非均匀性。本研究未定量分离这些机制，因此结果无法确定POM结晶收缩对总翘曲的贡献。实验测定的材料热物理性能反映了两种机制的综合效应。单独定量评估其贡献需要进一步研究，特别是通过差示扫描量热法（DSC）测定结晶度和结晶动力学以及构建材料的压力-体积-温度（PVT）图。该方法不仅能够预测翘曲，还可以在制造物理样品之前优化打印参数如构建板温度、打印速度和零件取向，这对小批量和单件生产尤为重要。模型存在若干局限性：未考虑构建板几何缺陷对首层粘附均匀性和传热的影响，未考虑构建板表面粘合剂的存在，未考虑可能影响强度和变形的空隙、孔隙和珠间缺陷，也未考虑构建腔中的实际温度分布。由于这些假设，模型可能在变形估计中引入系统误差，特别是在层边界和角部区域。尽管如此，模拟结果与实验数据之间的一致性支持该模型在所研究打印条件下预测翘曲的适用性，但受上述局限性约束。本研究方法的成功测试确定了进一步工作的有前景方向：首先将模型扩展到工艺链的后续阶段包括脱脂和烧结，以提高金属零件翘曲预测的准确性；其次开发基于数值模拟计算的变形和位移场的自动几何补偿算法。
研究结论翻译：本研究开发了基于09Kh16N4B耐蚀钢（Polema，图拉，俄罗斯）的喂料组合物，金属粉末含量为52 vol.%，聚合物粘结剂基于POM。该喂料旨在通过FFF增材制造生坯。发现所提出的组合物提供了丝材所需的加工特性（柔韧性和强度），适合在标准设备上打印。为预测生坯变形，通过实验确定了喂料的关键热物理和力学性能，包括杨氏模量、CTE、热容、导热系数和比容。所得数据成功用作专业Digimat-AM 2023.1软件中FFF打印过程数值模拟的输入参数。通过将数值模拟结果与三个80 × 80 × 6 mm样品和一个40 × 40 × 4 mm样品的3D扫描数据进行比较进行模型验证。80 × 80 × 6 mm样品的平均RMS偏差为0.146 mm，40 × 40 × 4 mm样品的RMS偏差为0.196 mm。计算角位移与实验角位移之间的相对差异不超过5%，支持了模型及所用热物理和力学性能在所研究打印条件下的适用性。首次验证了FFF技术中使用的POM基喂料的翘曲模型，使得预测生坯变形成为可能并填补了研究空白，因为此前研究主要集中于ABS和PLA等标准热塑性塑料。因此，所提出的方法不仅能够实现可靠的翘曲预测，还允许在数字化工艺规划阶段优化打印工艺参数，从而最小化变形并提高由喂料制成的生坯的几何精度。有前景的进一步研究方向包括扩大所用金属粉末的范围以及研究关键FFF工艺参数对由喂料打印的零件翘曲的影响。
