一種3d打印零部件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供了一種適用范圍較廣的粉末成型技術(shù)，屬于粉末冶金生產(chǎn)工藝中復(fù)雜形狀金屬部件制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及了一種3D打印零部件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]3D打印技術(shù)集機(jī)械工程、CAD、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、激光技術(shù)于一身，它解決了傳統(tǒng)加工技術(shù)在產(chǎn)品外形和制造上的限制，可以自動(dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的原型或零件。利用3D打印技術(shù)可以解決復(fù)雜形狀制品的成型問(wèn)題，目前應(yīng)用于金屬粉末的3D打印技術(shù)主要是激光燒結(jié)技術(shù)，它是利用高能激光將球形度極高的金屬粉末按激光燒結(jié)路徑熔化后粘結(jié)在一起，形成特殊形狀部件，此法應(yīng)用范圍較窄，無(wú)法適用于大部分金屬材料。
[0003]粉末冶金工作者多年來(lái)利用了各種方法成型復(fù)雜形狀金屬部件，但始終難以找到類(lèi)似陶瓷泥塑一類(lèi)的快速、無(wú)模成型方法。
[0004]實(shí)踐證明，利用料漿直接進(jìn)行3D打印，有兩大技術(shù)難點(diǎn)。
[0005]難點(diǎn)一，是研究和采用適用于3D打印的金屬料漿。實(shí)際上這種料漿需要符合四大條件:
[0006](I)金屬粉體和膠液要互容，包括物理互容和化學(xué)互容；
[0007](2)金屬料漿流動(dòng)性好，能實(shí)現(xiàn)管道化輸送，容易控制其流向、流量及截面形狀；
[0008](3)金屬料楽要求一定的金屬粉末固相含量(>50νο1.% )；
[0009](4)固化時(shí)間要控制到很短，即料漿擠出后能迅速固化，這是型坯是否會(huì)發(fā)生變形的關(guān)鍵。
[0010]難點(diǎn)二，在設(shè)備功能設(shè)計(jì)上要解決下列問(wèn)題。包括三個(gè)部分:
[0011](I)料倉(cāng)能夠?qū)崿F(xiàn)料漿的壓力儲(chǔ)存與定量供應(yīng)；
[0012](2)金屬料漿必須通過(guò)管道輸送，要實(shí)現(xiàn)液態(tài)料漿的軟管自由、靈活、準(zhǔn)確輸送；
[0013](3)噴頭的設(shè)計(jì)，需要通過(guò)特殊的設(shè)計(jì)解決金屬料漿與固化劑之間輸送與固化間的矛盾。
[0014]上述兩大問(wèn)題是不可分割的，經(jīng)過(guò)深入研究和反復(fù)試驗(yàn)，本專(zhuān)利在設(shè)備逐漸完善的基礎(chǔ)上，解決了金屬料漿的成分、特性、制備工藝與在相關(guān)(3D冷打印)設(shè)備上的使用性能等問(wèn)題，形成了完整的發(fā)明技術(shù)。
[0015]經(jīng)過(guò)近30年文獻(xiàn)檢索，沒(méi)有查到利用金屬料漿進(jìn)行3D打印制備復(fù)雜形狀金屬部件的專(zhuān)利和有關(guān)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明的目的在于提供一種3D打印零部件的方法，解決以金屬料漿作為原材料的無(wú)模復(fù)雜形狀型坯成型問(wèn)題，及在室溫或低溫下(<100°C )進(jìn)行3D打印的問(wèn)題，本發(fā)明的3D打印零部件的方法操作性強(qiáng)、工藝穩(wěn)定，具有廣闊的應(yīng)用前景。為了與激光燒結(jié)一類(lèi)的3D打印技術(shù)相區(qū)別，本發(fā)明將這種在室溫或低溫下(〈100°C)進(jìn)行3D打印的技術(shù)自稱(chēng)為“3D冷打印”技術(shù)。
[0017]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種3D打印零部件的方法，包括以下步驟:
[0018](I)制備金屬料漿；
[0019](2)型坯模型參數(shù)設(shè)計(jì)，獲得型坯的每層截面χ-y軸坐標(biāo)的掃描路徑信息，并輸入3D打印設(shè)備；
[0020](3) 3D打印整體固化型坯，包括:將金屬料漿置于3D打印設(shè)備的料漿壓力儲(chǔ)存與定量供料系統(tǒng)的料倉(cāng)中；通過(guò)所述料漿壓力儲(chǔ)存與定量供料系統(tǒng)將所述金屬料漿管道化輸送至3D打印設(shè)備的料漿3D打印噴頭處；按照每層掃描路徑，控制料漿3D打印噴頭使金屬料漿擠出并在3D打印設(shè)備的打印平臺(tái)上進(jìn)行微區(qū)三維堆筑，在堆筑的同時(shí)，進(jìn)行熱引發(fā)固化和/或化學(xué)固化引發(fā)；
[0021](4)固化型坯脫膠，將溶劑和膠體除去；
[0022](5)燒結(jié)，得到目標(biāo)形狀的金屬零部件。
[0023]優(yōu)選地，所述方法還包括對(duì)燒結(jié)后的金屬部件進(jìn)行后續(xù)處理，所述后續(xù)處理包括熱處理和/或熱等靜壓，從而使所述燒結(jié)件獲得滿足部件使用要求的組織或性能。
[0024]優(yōu)選地，所述金屬料楽的粘度高于0.5Pa.s并低于IPa.S，固相含量高于50νο1.% ο
[0025]優(yōu)選地，所述金屬料漿的制備方法包括水基膠液制備和金屬料漿制備，
[0026]所述水基膠液制備包括:將62?74wt.%的第一單體與26?38wt.%的交聯(lián)劑混合，在室溫下攪拌均勻后加入第一單體和交聯(lián)劑總量10?25wt.%的第一溶劑，制成膠液，所述第一單體選自丙烯酸、丙烯酰胺、甲基二丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯酮或其組合，所述交聯(lián)劑選自N，N-二甲基二丙烯酰胺，所述第一溶劑選自水，優(yōu)選去離子水；
[0027]所述金屬料漿制備包括:根據(jù)金屬粉末密度進(jìn)行計(jì)算，將金屬粉末加入所述水基膠液中，制成固相含量50vol.%以上的金屬料漿，加入金屬料漿重量的0.0lwt.%?0.02wt.%的分散劑后，在室溫下攪拌，并使用酸堿調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)料漿酸堿度，所述金屬粉末選自有色金屬粉末、黑色金屬粉末、合金粉末、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料粉末或其組合，所述分散劑選自油酸，所述酸堿調(diào)節(jié)劑選自氨水、六次甲基四胺或其組合。
[0028]優(yōu)選地，所述金屬料漿的制備方法包括有機(jī)基膠液制備和金屬料漿制備，
[0029]所述有機(jī)基膠液制備包括:將40?55wt.%的第二單體和45?60wt.%的第二溶劑混合，在室溫下攪拌均勻后制成膠液，所述第二單體選自甲基丙烯酸羥乙酯，所述第二溶劑選自甲苯；
[0030]所述金屬料漿制備包括:根據(jù)金屬粉末密度進(jìn)行計(jì)算，將金屬粉末加入有機(jī)基膠液中，制成固相含量50vol.%以上的金屬料漿，加入金屬料漿重量的0.0lwt.%?0.02wt.%的分散劑后，在室溫下攪拌，所述金屬粉末選自有色金屬粉末、黑色金屬粉末、合金粉末、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料粉末或其組合，所述分散劑選自油酸。
[0031]優(yōu)選地，所述化學(xué)固化引發(fā)時(shí)，所述的適合3D打印的金屬料漿還包括催化劑，所述催化劑為料漿質(zhì)量的0.lwt%? 0.25wt%，所述催化劑選自N，N, N’，N’ -四甲基乙二胺、N，N’ - 二甲基苯胺或其組合。
[0032]優(yōu)選地，所述化學(xué)固化引發(fā)時(shí)的化學(xué)固化劑包括溶劑和引發(fā)劑，
[0033]當(dāng)金屬料楽為水基金屬料楽時(shí)，所述溶劑選自第一溶劑，引發(fā)劑選自過(guò)硫酸錢(qián);當(dāng)金屬料漿為有機(jī)基金屬料漿時(shí)，所述的溶劑選自第二溶劑，引發(fā)劑選自過(guò)氧化苯甲酰。
[0034]優(yōu)選地，所述熱引發(fā)固化時(shí)，控制所述料漿3D打印噴頭的加熱裝置將出料平面溫度加熱至70?100°C，所述料漿3D打印噴頭的芯管出料口內(nèi)的金屬料漿由周?chē)h(huán)水冷卻在20?30 °C內(nèi)，處于未固化狀態(tài)，金屬料漿出料后，由20?30 °C升溫至引發(fā)溫度，使金屬料漿原位固化成型。
[0035]優(yōu)選地，所述化學(xué)引發(fā)固化時(shí)，將化學(xué)固化劑置于3D打印設(shè)備的化學(xué)固化劑壓力儲(chǔ)存與定量供料系統(tǒng)的料倉(cāng)中，通過(guò)所述化學(xué)固化劑壓力儲(chǔ)存與定量供料系統(tǒng)將所述化學(xué)固化劑管道化輸送至3D打印設(shè)備的料漿3D打印噴頭的出料口處，在所述金屬料漿擠出的同時(shí)，通過(guò)控制化學(xué)固化劑壓力儲(chǔ)存與定量供料系統(tǒng)送出化學(xué)固化劑，使金屬料漿原位固化成型。
[0036]優(yōu)選地，通過(guò)增加料漿壓力儲(chǔ)存與定量供料系統(tǒng)進(jìn)行多種金屬料漿的依次打印。
[0037]本發(fā)明的有益效果在于:
[0038](I)本發(fā)明提供一種用金屬料漿3D打印型坯制備金屬零部件的方法，解決以金屬料漿作為原材料的無(wú)模復(fù)雜形狀型坯成型問(wèn)題，為粉末冶金方法快速制備復(fù)雜形狀零件提供新途徑。
[0039](2)本發(fā)明提供的3D冷打印的固化原理實(shí)際是金屬粉末在三維凝膠網(wǎng)絡(luò)中原位固化成型，它的原理對(duì)所使用的原料粉末成分，特別是顆粒形狀無(wú)要求，適用范圍廣，除純金屬和合金外還可應(yīng)用于多種金屬?gòu)?fù)合材料的多層、多區(qū)域復(fù)合。
[0040](3) 3D冷打印技術(shù)無(wú)需使用激光，不用將金屬材料加熱到熔化溫度，直接在室溫或低溫(〈100°C )下成型，技術(shù)穩(wěn)定，可操作性強(qiáng)。
[0041](4)利用3D冷打印技術(shù)直接制備復(fù)雜形狀金屬零件型坯，能夠最大限度節(jié)省原材料，且打印出的制品無(wú)需或僅需少量后期加工，可滿足各領(lǐng)域金屬零部件的制備要求。
【附圖說(shuō)明】
[0042]圖1是本發(fā)明實(shí)施例所使用的3D打印設(shè)備的示意圖；
[0043]圖2是圖1中所示的3D打印設(shè)備所使用的噴頭的截面圖。
[0044]其中，附圖標(biāo)記說(shuō)明如下:
[0045]1、