冷噴涂增材制造新突破：實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)從CAD到近成型試樣制造

氣體動(dòng)力冷噴涂也簡(jiǎn)稱為冷噴(Cold Spray)，作為一種固態(tài)表面處理和材料沉積的工藝技術(shù)，是熱噴涂家族中的一員。在此工藝中，固體粉末顆粒被高溫高壓的壓縮氣體（例如空氣、氮?dú)饣蚝�氣）加速到很高的速度（通常高�?00 m/s），經(jīng)過(guò)短暫的飛行到達(dá)待噴涂的基材表面，由于強(qiáng)烈的塑性變形從而附著在基材表面上并形成涂層。冷噴可應(yīng)用于包括常規(guī)金屬、合金、非金屬等廣泛材料的沉積。制備的涂層具有高密度、高硬度等特點(diǎn)，因此冷噴涂被廣泛應(yīng)用于不同的行業(yè)以制備不同的功能涂層。同時(shí)在該過(guò)程中，材料不會(huì)發(fā)生熔化和凝固，其初始的物理和化學(xué)特性得以保留；并且材料的沉積效率高，具備區(qū)域可控性，冷噴也被視為一種局部修復(fù)技術(shù)。

當(dāng)前，金屬增材制造工藝主要是選擇性激光熔化（SLM）、電子束熔化（EBM）和電弧增材制造（AAM）等，通過(guò)已商業(yè)化的軟件可進(jìn)行物體的切片、軌跡的規(guī)劃、參數(shù)的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)金屬部件的增材制造。冷噴涂工藝用于增材制造已經(jīng)提出了十多年，被證明是一種極具潛力的技術(shù)。相比其他增材制造技術(shù)，冷噴涂具有較高的沉積效率（最高可接近99%）和沉積速率（最高可達(dá)500g/min），可以實(shí)現(xiàn)多成分、甚至梯度材料的沉積，以及制造幾乎無(wú)限尺寸的工件。但是由于冷噴涂自身的局限性，如“噴涂點(diǎn)”/噴嘴出口直徑尺寸通常為5-10毫米，因此空間分辨率有限，目前僅適用于低精度工件的制造。

再如，噴涂過(guò)程中送粉不能中斷，噴涂參數(shù)無(wú)法實(shí)時(shí)調(diào)整，因此當(dāng)前冷噴增材主要用于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱等簡(jiǎn)單幾何形狀的工件的制造。此外，對(duì)于復(fù)雜幾何形狀工件的制造，缺少合適的沉積策略和機(jī)器手臂的路徑規(guī)劃，因此通常采用手動(dòng)硬編程噴涂路徑或者設(shè)計(jì)特殊支撐結(jié)構(gòu)的方式實(shí)現(xiàn)其制造。所有這些痛點(diǎn)極大地限制了冷噴增材技術(shù)的應(yīng)用。這也是為什么冷噴增材制造的概念提出了很多年，但是鮮有廣泛應(yīng)用的報(bào)道，特別是針對(duì)非對(duì)稱的、具有多幾何特征的復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件的制造例子。

△圖1：多特征3D模型的冷噴增材過(guò)程

法國(guó)貝爾福-蒙貝利亞技術(shù)大學(xué)UTBM下屬的法國(guó)科學(xué)院CNRS實(shí)驗(yàn)室ICB-LERMPS對(duì)于冷噴增材制造進(jìn)行了多年深入的研究，提出了一種針對(duì)具有多幾何特征的工件進(jìn)行冷噴增材制造的策略方法。這項(xiàng)研究使得冷噴涂工藝逐層制造相對(duì)復(fù)雜的工件成為可能，并顯著縮短了準(zhǔn)備時(shí)間、降低了生產(chǎn)成本。在該研究中，首先提出了一種高效的切片算法，按照一定的厚度在高度方向?qū)Υ�制造工件�?D模型進(jìn)行切片分層（圖1a），然后生成每一層各個(gè)特征的外輪廓（圖1b）。

由于冷噴涂工藝的“一筆畫”特性（在噴涂過(guò)程中不能中斷送粉）以及噴涂路徑不能直接穿過(guò)已沉積區(qū)域的特點(diǎn)，該研究能自動(dòng)規(guī)劃并生成適合冷噴涂工藝的增材制造機(jī)器人路徑�；�于生成的路徑，使用機(jī)器人離線編程軟件模擬沉積路徑，并驗(yàn)證軌跡規(guī)劃方法的可行性和準(zhǔn)確性。驗(yàn)證后的策略方法由實(shí)際的噴涂裝置實(shí)施，制造近成型試樣（圖1c），最終通過(guò)機(jī)加工實(shí)現(xiàn)多特征復(fù)雜工件的冷噴增材制造（圖1d）。

△圖2：手掌形狀工件的冷噴增材近成型

在最近的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，一個(gè)接近真人手掌大小的純銅模型通過(guò)該研究的方法成功制造出來(lái)。得益于冷噴涂的高沉積效率，制造這個(gè)2.3kg的純銅模型（高度145cm，寬度95cm）用時(shí)70分鐘。機(jī)器人的噴涂路徑如圖2a所示，最終的近成型銅手模型如圖2b所示。

總而言之，冷噴增材工藝目前仍處于起步階段，但在金屬增材制造領(lǐng)域極具前景。由于復(fù)雜幾何形狀工件的制造具有挑戰(zhàn)性，因此本研究開發(fā)了一種通用的冷噴沉積策略和噴涂路徑的規(guī)劃方法。它使得基于冷噴涂工藝制造相對(duì)復(fù)雜的工件成為可能，并且由于其大大減少了沉積物的機(jī)加工后處理，因此顯著降低了生產(chǎn)大型、近成型工件的總體成本。

合作聯(lián)系：Dr. Sihao DENG（鄧思豪）
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