冷噴涂增材制造新突破：實現復雜結構從CAD到近成型試樣制造

氣體動力冷噴涂也簡稱為冷噴(Cold Spray)，作為一種固態(tài)表面處理和材料沉積的工藝技術，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、氮氣或氦氣）加速到很高的速度（通常高于400 m/s），經過短暫的飛行到達待噴涂的基材表面，由于強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，因此冷噴涂被廣泛應用于不同的行業(yè)以制備不同的功能涂層。同時在該過程中，材料不會發(fā)生熔化和凝固，其初始的物理和化學特性得以保留；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技術。

當前，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，通過已商業(yè)化的軟件可進行物體的切片、軌跡的規(guī)劃、參數的調整，從而實現金屬部件的增材制造。冷噴涂工藝用于增材制造已經提出了十多年，被證明是一種極具潛力的技術。相比其他增材制造技術，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500g/min），可以實現多成分、甚至梯度材料的沉積，以及制造幾乎無限尺寸的工件。但是由于冷噴涂自身的局限性，如“噴涂點”/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，噴涂過程中送粉不能中斷，噴涂參數無法實時調整，因此當前冷噴增材主要用于旋轉對稱等簡單幾何形狀的工件的制造。此外，對于復雜幾何形狀工件的制造，缺少合適的沉積策略和機器手臂的路徑規(guī)劃，因此通常采用手動硬編程噴涂路徑或者設計特殊支撐結構的方式實現其制造。所有這些痛點極大地限制了冷噴增材技術的應用。這也是為什么冷噴增材制造的概念提出了很多年，但是鮮有廣泛應用的報道，特別是針對非對稱的、具有多幾何特征的復雜結構工件的制造例子。

△圖1：多特征3D模型的冷噴增材過程

法國貝爾福-蒙貝利亞技術大學UTBM下屬的法國科學院CNRS實驗室ICB-LERMPS對于冷噴增材制造進行了多年深入的研究，提出了一種針對具有多幾何特征的工件進行冷噴增材制造的策略方法。這項研究使得冷噴涂工藝逐層制造相對復雜的工件成為可能，并顯著縮短了準備時間、降低了生產成本。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對待制造工件的3D模型進行切片分層（圖1a），然后生成每一層各個特征的外輪廓（圖1b）。

由于冷噴涂工藝的“一筆畫”特性（在噴涂過程中不能中斷送粉）以及噴涂路徑不能直接穿過已沉積區(qū)域的特點，該研究能自動規(guī)劃并生成適合冷噴涂工藝的增材制造機器人路徑?；谏傻穆窂?，使用機器人離線編程軟件模擬沉積路徑，并驗證軌跡規(guī)劃方法的可行性和準確性。驗證后的策略方法由實際的噴涂裝置實施，制造近成型試樣（圖1c），最終通過機加工實現多特征復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

在最近的實驗當中，一個接近真人手掌大小的純銅模型通過該研究的方法成功制造出來。得益于冷噴涂的高沉積效率，制造這個2.3kg的純銅模型（高度145cm，寬度95cm）用時70分鐘。機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域極具前景。由于復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復雜的工件成為可能，并且由于其大大減少了沉積物的機加工后處理，因此顯著降低了生產大型、近成型工件的總體成本。

合作聯系：Dr. Sihao DENG（鄧思豪）
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