CN109108293B - 一种高效率金属3dp打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效率金属3DP打印方法,经金属粉末冷法覆膜,配制粘结剂,打印型胚,脱脂、高温烧结,以及渗铜处理等步骤得到最终的成型零件。本发明3DP打印首先在金属粉末表面覆膜,打印时喷头将乙醇基的粘结剂沉积在粉层表面,粘结剂通过毛细作用渗透进入粉层并溶解覆膜金属颗粒表面树脂;待粘结剂挥发后溶解的树脂重新析出,颗粒之间通过粘结桥的形式形成初始型坯,初始型坯的强度由颗粒之间形成的酚醛树脂分子内聚力提供。本发明3DP打印方法与SLS工艺相比打印效率提高,能够节省较多的打印时间,且相比SLS设备的高昂造价和维护成本,3DP设备更容易被民用企业所接受。
Description
技术领域
本发明涉及一种高效率金属3DP打印方法,属于材料成型领域。
背景技术
3DP工艺打印金属零件与SLS(Selective laser sintering)工艺类似,都是采用覆膜金属粉末材料成型,不同的是粉末不是通过烧结连接在一起,而是通过喷头将粘结剂选择性的喷射在粉末上,通过液体与固体粉末的综合作用使粉末固化成型得到初始型胚。再经过适当的后处理得到最终的金属零件。
金属的常见3D打印工艺主要包括两种:一是金属粉末直接烧结成型法(SLM工艺),即是利用高功率激光器对金属粉末进行扫描烧结,逐层叠加成型,成型件经表面后处理即完成零件的制作。二是覆膜金属粉末激光烧结成型法(SLS工艺),首先将粉末进行覆膜处理,即利用低熔点有机材料对金属粉末进行表面包覆,然后利用激光烧结快速成型设备,在较低的激光功率下对其进行烧结成型,成型件再经过脱脂、高温烧结等后处理最后得到满足使用要求的金属零件。
上述两种工艺方法不能回避的共同问题是效率缓慢,激光头是点对点工作,打印时激光束作用在粉床表面依照图形形状作点运动,图形的面积越大打印需要的时间越多,并且打印前需要预热1-2h,这就导致了成型过程耗时漫长,有的金属零件甚至需要打印上百个小时,对设备的稳定性提出更高的要求。
而金属粉的3DP工艺采用的是阵列式喷头喷墨打印。打印过程类似于印刷过程,是一种线运动,根据需要还可以多个喷头串联使用,进一步的提高了打印效率。并且 3DP设备相比SLS设备,造价成本较低,稳定性更高,设备的日常维护也较简单。
针对SLS工艺打印金属效率低,设备成本昂贵等缺点,本发明提出了一种三维喷印金属成型的方法,选择合适的粘结剂与阵列式喷头相匹配,作用于金属粉末上,缩短金属3D打印时间,达到快速成型的目的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对SLS工艺打印金属效率低,设备成本昂贵等缺点,提出一种三维喷印金属成型的方法,选择合适的粘结剂与阵列式喷头相匹配,作用于金属粉末上,缩短金属3D打印时间,达到快速成型的目的。
为了解决上述技术问题,本发明采取的技术方案如下:
一种高效率金属3DP打印方法,包括如下步骤:
(1)金属粉末冷法覆膜:取酚醛树脂和乌洛托品溶解于乙醇中得到膜液,将膜液与金属粉末充分混合后,加入硬脂酸钙再次混合,待膜液中乙醇挥发后,粉碎球磨得到覆膜金属粉末;
(2)配制粘结剂:将乙醇、聚乙二醇和去离子水混合得到粘结剂;
(3)打印型胚:将步骤(1)中的覆膜金属粉末铺成薄层,将步骤(2)中粘结剂通过打印喷头根据切片图形喷射于覆膜金属粉末层面,使覆膜金属粉末表面的乌洛托品与酚醛树脂溶解;
待粘结剂挥发后,使得溶解的的乌洛托品与酚醛树脂重新析出,将金属粉末粘结在一起,达到成型的目的;然后依次逐层打印,最终得到一个初始型胚;
(4)脱脂、高温烧结:将步骤(3)形成的初始型胚取出并去除多余的金属粉末,然后放入真空烧结炉内随炉加热至450~650℃保温2~3h进行脱脂处理,再加热至金属粉末熔化温度的70~80%,保温1~3h进行烧结处理,最后随炉冷却;
(5)渗铜处理:将步骤(4)烧结得到的型胚采用包埋渗的方法作渗铜处理得到最终的成型零件。
步骤(1)中,所述酚醛树脂的用量为金属粉末质量的4~6%;所述乌洛托品的用量为酚醛树脂质量的10~16%;所述乙醇的用量为酚醛树脂质量的70~100%。
酚醛树脂是金属覆膜的主体材料,后续成型所述的粘结桥主要由酚醛树脂提供,乌洛托品是固化剂,它是与酚醛树脂配合,对后续的固化有催化作用,乙醇作为喷头粘结剂的主要成分,它可以溶解再析出酚醛树脂,达到粉末之间形成粘结桥固化的目的,且乙醇无毒无腐蚀性,对喷头和环境都不会有损害。
所述硬脂酸钙的用量为酚醛树脂质量的6~10%,硬脂酸钙具有润滑作用,加入到粉末中去可以帮助铺粉。
步骤(2)中,所述乙醇、聚乙二醇和去离子水的混合质量比为5~8:1:2~5。首先考虑到成型的需要,粘结剂的首要作用是要能与覆膜粉末发生反应使其固化连接,其次是考虑这种水溶性的粘结剂对喷头的损害可以降到最低,它粘度低,无腐蚀,打印过程中不易堵塞喷头。在3DP工艺中,喷头堵塞是行业内常见的问题,这是由材料本身性质决定的。当发生喷头堵塞时就得停下来清洗喷头,然后再继续打印,这必然会对打印件产生影响并且降低效率,所以在设计工艺的时候,都会尽量选择不易堵塞的粘结剂,但是这一步却是最难的。最后考虑的是这种粘结剂无毒无公害,实际上丙酮可以代替乙醇达到更好的效果,但是丙酮有毒,所以舍弃。
优选地,打印型胚时,每一层覆膜金属粉末铺设的层厚为0.1~0.15mm。由于金属的密度比较大,酚醛树脂形成得粘结桥强度有限,如果层厚过厚会导致粘不住的现象。
优选地,设备的成型槽内可以安装加热装置,待打印完成后启动加热装置加速粘结剂挥发。
进一步地,步骤(4)中,初始型胚放入真空烧结炉内之前,初始型胚内加入石英砂进行填充,一是起到受热均匀作用,二是起到支撑固定的作用,防止工件在加热过程中变形。
优选地,所述脱脂处理的升温速率为60~80℃/h,升温速度越小产生的热应力越小,但是升温速度过小会导致效率下降和成本增加。脱脂的目的主要是把酚醛树脂去除,酚醛树脂只是在成型过程中起作用,最后成品的金属工件中,酚醛树脂就是杂质了,必须去除,否则会影响力学性能。
优选地,所述烧结处理的升温速率为60~80℃/h。3D打印成型后,粉末与粉末之间是靠粘结桥连接强度不高,烧结是一个固态扩散过程,它使金属粉末产生冶金结合从而赋予烧结零件以需要的物理和机械性能。
本发明3DP打印的原理是:首先在金属粉末表面覆膜,打印时喷头将乙醇基的粘结剂沉积在粉层表面,粘结剂通过毛细作用渗透进入粉层并溶解金属颗粒表面树脂;粘结剂挥发后溶解的树脂重新析出,颗粒之间通过粘结桥的形式形成初始型坯,初始型坯的强度由颗粒之间形成的酚醛树脂分子内聚力提供。
有益效果:
1、本发明3DP打印方法与SLS工艺相比打印效率提高,能够节省较多的打印时间,且相比SLS设备的高昂造价和维护成本,3DP设备更容易被民用企业所接受;
2、本发明中粘结剂采用乙醇、聚乙二醇和去离子水混合而成,不易堵塞喷头,解决了3DP工艺的最基本问题,其次方便易得无毒无公害。
3、本发明3DP打印方法与传统制造相比,打印所得的金属工件具有孔隙型结构,这在传统制造中是缺陷,但是在特定场合,配合一定的渗透后处理工艺,可以得到复合金属材料,从而达到传统工件不能达到的性能要求。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明,本发明的上述和/ 或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本发明3DP打印方法打印的装置图;
图2是采用本发明3DP打印方法具体打印的叶轮叶片实体图。
具体实施方式
根据下述实施例,可以更好地理解本发明。
说明书附图所绘示的结构、比例、大小等,均仅用以配合说明书所揭示的内容,以供熟悉此技术的人士了解与阅读,并非用以限定本发明可实施的限定条件,故不具技术上的实质意义,任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整,在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下,均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时,本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语,亦仅为便于叙述的明了,而非用以限定本发明可实施的范围,其相对关系的改变或调整,在无实质变更技术内容下,当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示,本发明3DP打印方法打印装置包括供粉槽、成型槽、多余粉料收集槽、送料辊以及粘结剂打印盒等。
具体的打印过程为:
(1)取酚醛树脂(1500g)和乌洛托品(210g)溶解于乙醇(1500ml)中得到膜液,将膜液与304不锈钢粉末(30kg)充分混合后,加入硬脂酸钙(120g)再次混合,待膜液中乙醇挥发后粉碎球磨得到覆膜金属粉末;
(2)将乙醇(700g)、聚乙二醇(100g)和去离子水(300g)混合得到粘结剂;
(3)如上图所示把预处理好的金属粉末放入左侧的供粉槽,并进行预铺粉(在成型槽内铺2~3mm厚度的粉末);
(4)将工件模型导入切片软件,切片处理得到各切片层图形信息;
(5)开始打印,送料辊将覆膜金属粉末辊入成型槽铺成薄层(0.1~0.15mm),打印盒喷头在右侧的成型槽按切片图形信息选择性的将粘结剂喷射入粉层上,使覆膜金属粉末表面的乌洛托品与酚醛树脂溶解,待粘结剂挥发后,使得溶解的的乌洛托品与酚醛树脂重新析出,将金属粉末粘结在一起。打印完一层后,左侧的供粉槽会上升一个层厚高度,右边的成型槽会下降一个层厚高度,然后铺粉辊运动,把供粉槽的粉末推送到成型槽内,完成铺粉。然后喷头再次打印,循环上述过程直至工件初始型胚打印完成。
(6)将形成的初始型胚取出并去除多余的金属粉末,加入石英砂进行填充,然后放入真空烧结炉内随炉以70℃/h加热至600℃保温3h进行脱脂处理,再以70℃/h加热至1050℃(304不锈钢的熔点为1400℃),保温3h进行烧结处理,最后随炉冷却。
(7)烧结得到的型胚采用包埋渗的方法作渗铜处理得到最终的成型零件
图2为采用上述3DP打印方法打印的一个叶轮叶片工件。采用国标GB/T228-2002测定及基本的性能参数,结果见表1。
表1
从表1中数据可以看出,采用本申请方法打印得到的工件与304不锈钢的性能相差不大,能够替代传统锻造方法制备的304不锈钢工件使用。
SLS工艺与3DP工艺相比,不同之处在于SLS工艺用激光头代替了喷头,激光头会在粉层上按图形轨迹运动,激光的能量会烧结粉末使其连接起来,两种打印方法的成品和打印效率区别见表2。
表2
本发明提供了一种高效率金属3DP打印方法的思路及方法,具体实现该技术方案的方法和途径很多,以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (1)
1.一种高效率金属3DP打印方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)金属粉末冷法覆膜:取酚醛树脂和乌洛托品溶解于乙醇中得到膜液,将膜液与金属粉末充分混合后,加入硬脂酸钙再次混合,待膜液中乙醇挥发后粉碎球磨得到覆膜金属粉末;
(2)配制粘结剂:将乙醇、聚乙二醇和去离子水混合得到粘结剂;
(3)打印型胚:将步骤(1)中的覆膜金属粉末铺成薄层,将步骤(2)中粘结剂通过打印喷头根据切片图形喷射于覆膜金属粉末层面,使覆膜金属粉末表面的乌洛托品与酚醛树脂溶解;
待粘结剂挥发后,使得溶解的乌洛托品与酚醛树脂重新析出,将金属粉末粘结在一起,达到成型的目的;然后依次逐层打印,最终得到一个初始型胚;
(4)脱脂、高温烧结:将步骤(3)形成的初始型胚取出并去除多余的金属粉末,然后放入真空烧结炉内随炉加热至450-650℃保温2~3h进行脱脂处理,再加热至金属粉末熔化温度的70~80%,保温1~3h进行烧结处理,最后随炉冷却;
(5)渗铜处理:将步骤(4)烧结得到的型胚采用包埋渗的方法作渗铜处理得到最终的成型零件;
步骤(1)中,所述酚醛树脂的用量为金属粉末质量的4~6%;所述乌洛托品的用量为酚醛树脂质量的10~16%;所述乙醇的用量为酚醛树脂质量的70~100%;
步骤(1)中,所述硬脂酸钙的用量为酚醛树脂质量的6~10%;
步骤(2)中,所述乙醇、聚乙二醇和去离子水的混合质量比为5~8:1:2~5;
步骤(3)中,每一层覆膜金属粉末铺设的层厚为0.1~0.15 mm;
步骤(4)中,初始型胚放入真空烧结炉内之前,初始型胚内加入石英砂进行填充;
步骤(4)中,所述脱脂处理的升温速率为60~80℃/h;
步骤(4)中,所述烧结处理的升温速率为60~80℃/h。
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