一种通孔结构金属多孔材料的3D打印制备工艺的制作方法

本发明涉及一类具有复杂内部结构的多孔材料及其3D打印制作工艺领域，尤其涉及一种通孔结构金属多孔材料的3D打印制备工艺。

背景技术：

典型的多孔材料包括蜂窝状多孔材料、开孔泡沫材料和闭孔泡沫材料，其中前两种为具有通孔结构的多孔材料。金属多孔材料兼具功能和结构双重属性，作为结构材料，它具有轻质、高比强度的特点，作为功能材料，它在吸能减震、消声降噪、电磁屏蔽、透气透水、隔热换热等方面更显示出自身的特色，因此金属多孔材料在一般工业领域及高科技领域都得到了越来越广泛的应用。而对于一些特定结构的多孔材料，某些方面的性能可能更好。例如有研究表明，用于消声的多孔材料，如果从接声面向里面逐步减小孔隙率，可提高吸声效果。

制备金属多孔材料的工艺方法很多，按工艺特点可分固态金属烧结法、液态金属凝固法和原子离子态金属沉积法三大类。不同的工艺方法在工艺复杂程度、所得到材料的孔结构(形状、分布均匀性、连通性和孔隙率)、生产成本、适用的金属种类等方面有所不同。原有的制备方法对多孔材料的结构很难进行有效的控制，因而制得的多孔材料某些方面的性能仍有不足。

3D打印的产生和应用为复杂结构的制备带来了新的方法，如果用于多孔材料的制备，可直接制备出具有通孔结构的多孔材料，解决原有的制备方法很难甚至无法制作的结构。利用3D打印的工艺特点，多孔材料的孔洞及骨架结构可以根据需要进行任意设计，以获得具有不同性能特点的多孔材料。基于上述陈述，本发明提出了一种通孔结构金属多孔材料的3D打印制备工艺。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种通孔结构金属多孔材料的3D打印制备工艺，其采用基于微喷射原理的3D打印工艺制备金属多孔材料，可制备蜂窝状金属多孔材料和开孔泡沫金属材料两种类型的多孔材料。

一种通孔结构金属多孔材料的3D打印制备工艺，包括以下步骤：

S1、确定需要制作的多孔材料内部的具体结构和尺寸规格，并绘图进行研究，利用设计软件对多孔材料进行详细的三维设计，并绘制出实际尺寸多孔材料的3D模型；

S2、根据步骤S1中制作的多孔材料的3D模型，在3D打印设备的成形槽中将粉末材料铺成厚度为0.1～0.2mm的粉末层，按多孔材料分层截面的实体形状喷射粘结剂粘接粉末，采用紫外光扫描照射该打印层使粘结剂发生一定程度的光固化，控制扫描速度使粘结剂得到的光照时间为5～8s，并依次不断重复，逐层打印堆积获得多孔材料坯件，得到的坯件埋覆在粉堆中；

S3、从3D打印设备的成形槽中将打印基板连同粉堆及其中的多孔材料坯件一起取出，放入加热炉中，在高温180～210℃的环境下，加热20～35min，使多孔材料坯件中的粘结剂进一步固化；

S4、将步骤S3中所得的多孔材料坯件从粉堆中取出，并对其进行表面清洁处理，然后振动多孔材料坯件，并去除干净多孔材料坯件内部未被粘结剂粘结的粉末，从而形成多孔材料坯件的内部通道及孔隙；

S5、将步骤S4中所得的多孔材料坯件放入烧结炉内，以2℃/min的升温速率升温到200℃，保温1小时后，以1℃/min的升温速率升温到310℃，保温1小时，然后以0.5℃/min的升温速率升温到460℃，保温2小时，继续以0.5℃/min的升温速率升温到700℃，保温1小时，完成粘结剂脱除，最后根据所用粉末材料的性质，匀速升温至一定温度进行保温，完成上述保温后冷却至室温即得所需多孔材料制件。

优选的，所述步骤S2中的3D打印设备为基于微喷射原理的3D打印设备。

优选的，所述步骤S2中的粉末材料为打印材料，具体指金属粉末。

优选的，所述步骤S2中的粘结剂为质量百分比为55～70％的UV胶、22～30％的α-氰基丙烯酸酯胶、1～3％的增流剂、1～3％的稳定剂、1～3％的增稠剂、1～3％的阻聚剂和1～3％的润滑剂混合制成的液态粘结剂。

优选的，所述步骤S4中的表面清洁处理具体指用毛刷扫除多孔材料表面未被粘接剂粘接的粉末，或用压缩空气吹去多孔材料表面未被粘接剂粘接的粉末。

本发明提出的一种通孔结构金属多孔材料的3D打印制备工艺，其避免了采用激光装置，具有制作工艺简单，制作成本低的特点，其中的热炉加热固化工序，可同时将多件坯件进行热固化，有效的提高了制备效率，本发明制得的多孔材料内部结构和孔隙率可控，根据用途通过软件进行任意设计，并由粉末打印成形后，烧结而形成多孔材料骨架，其还具有一定的微观孔隙，本发明基于低成本的3D打印技术，能够制作出具有复杂内部孔道的结构，可广泛应用于蜂窝状金属多孔材料和开孔泡沫金属材料两种类型多孔材料的制备，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明提出的3D打印制备的弯曲孔道蜂窝式多孔材料的结构示意图；

图2为本发明提出的3D打印制备的变截面蜂窝式多孔材料的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。

实施例一

参照图1，弯曲孔道蜂窝式多孔材料：该类多孔材料为蜂窝式结构，且孔道弯曲，孔道截面可以是任意形状；

其3D打印制备工艺，包括以下步骤：

S1、确定弯曲孔道蜂窝式多孔材料内部的具体结构和尺寸规格，并绘图进行研究，利用设计软件对多孔材料进行详细的三维设计，并绘制出实际尺寸多孔材料的3D模型；

S2、根据步骤S1中制作的多孔材料的3D模型，在基于微喷射原理的3D打印设备的成形槽中将不锈钢粉铺成厚度为0.1mm的粉末层，按多孔材料分层截面的实体形状喷射由质量百分比为65％的UV胶、27％的α-氰基丙烯酸酯胶、1％的增流剂、3％的稳定剂、2％的增稠剂、1％的阻聚剂和1％的润滑剂混合制成的液态粘结剂粘接粉末，采用紫外光扫描照射该打印层使粘结剂发生一定程度的光固化，控制扫描速度使粘结剂得到的光照时间为8s，并依次不断重复，逐层打印堆积获得多孔材料坯件，得到的坯件埋覆在粉堆中；

S3、从3D打印设备的成形槽中将打印基板连同粉堆及其中的多孔材料坯件一起取出，放入加热炉中，在高温200℃的环境下，加热25min，使多孔材料坯件中的粘结剂进一步固化；

S4、将步骤S3中所得的多孔材料坯件从粉堆中取出，用毛刷扫除多孔材料表面未被粘接剂粘接的粉末，然后振动多孔材料坯件，并去除干净多孔材料坯件内部未被粘结剂粘结的粉末，从而形成多孔材料坯件的内部通道及孔隙；

S5、将步骤S4中所得的多孔材料坯件放入烧结炉内，以2℃/min的升温速率升温到200℃，保温1小时后，以1℃/min的升温速率升温到310℃，保温1小时，然后以0.5℃/min的升温速率升温到460℃，保温2小时，继续以0.5℃/min的升温速率升温到700℃，保温1小时，完成粘结剂脱除，最后以5℃/min的升温速率升温到1375℃，保温1小时，进行烧结，完成上述保温后冷却至室温即得所需多孔材料制件。

实施例二

参照图2，变截面蜂窝式多孔材料：该类多孔材料为蜂窝式结构，且孔道截面的形状和尺寸是变化的；

其3D打印制备工艺，包括以下步骤：

S1、确定变截面蜂窝式多孔材料内部的具体结构和尺寸规格，并绘图进行研究，利用设计软件对多孔材料进行详细的三维设计，并绘制出实际尺寸多孔材料的3D模型；

S2、根据步骤S1中制作的多孔材料的3D模型，在基于微喷射原理的3D打印设备的成形槽中将80％的不锈钢粉与20％的碳纤维粉的混合粉末铺成厚度为0.2mm的粉末层，按多孔材料分层截面的实体形状喷射由质量百分比为55％的UV胶、30％的α-氰基丙烯酸酯胶、3％的增流剂、3％的稳定剂、3％的增稠剂、3％的阻聚剂和3％的润滑剂混合制成的液态粘结剂粘接粉末，采用紫外光扫描照射该打印层使粘结剂发生一定程度的光固化，控制扫描速度使粘结剂得到的光照时间为5s，并依次不断重复，逐层打印堆积获得多孔材料坯件，得到的坯件埋覆在粉堆中；

S3、从3D打印设备的成形槽中将打印基板连同粉堆及其中的多孔材料坯件一起取出，放入加热炉中，在高温180℃的环境下，加热35min，使多孔材料坯件中的粘结剂进一步固化；

S4、将步骤S3中所得的多孔材料坯件从粉堆中取出，用压缩空气吹去多孔材料表面未被粘接剂粘接的粉末，然后振动多孔材料坯件，并去除干净多孔材料坯件内部未被粘结剂粘结的粉末，从而形成多孔材料坯件的内部通道及孔隙；

S5、将步骤S4中所得的多孔材料坯件放入烧结炉内，以2℃/min的升温速率升温到200℃，保温1小时后，以1℃/min的升温速率升温到310℃，保温1小时，然后以0.5℃/min的升温速率升温到460℃，保温2小时，继续以0.5℃/min的升温速率升温到700℃，保温1小时，完成粘结剂脱除，最后以5℃/min的升温速率升温到1325℃，保温1小时，进行烧结，完成上述保温后冷却至室温即得所需多孔材料制件。

基于上述三维打印制作方法，多孔材料的孔洞结构可以利用绘图软件根据用途的需要而进行设计，其中蜂窝状多孔材料的孔道既可以是直孔道，也可以是弯曲孔道，而且孔道截面的形状和大小可以沿孔道而改变；开孔泡沫材料的孔洞及骨架的形状都可以任意设计，其尺度的下限与粉末粒度及制备过程的具体工艺条件有关；开孔泡沫材料各处的孔隙率可以是变化的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。