一种使用低熔点合金便于金属3D打印去除支撑的方法与流程

本发明涉及一种金属3d打印技术，具体说涉及一种便于金属3d打印后期去除支撑材料的方法。

背景技术：

3d打印技术通过层层叠加的原理，在制造形状复杂的工件时具有突出的优势。用于金属组件3d打印的方式可以分为两种，直接能量沉积和粉末床熔化式式，其中直接能量沉积式是使用喷头供给粉末或线材的方式，在喷头处利用激光或电子束的能量形成熔池，直接熔覆原材料，并按预定路径层层堆叠获得成型金属。相比粉末床熔化式，直接能量沉积式具备更高的打印速度，在采用多喷头供给系统时可以实现多种材料的同时打印，因此具有广泛的应用前景。

但是直接能量沉积式也存在较大缺陷，因为是层层叠加的原理，相比粉末床熔化式在打印镂空或悬垂结构时能够实现的悬垂角度较小，容易出现坍塌，这时，添加支撑材料是一种有效的手段。但是在打印完成后支撑材料的去除往往会带来非期望的麻烦。塑料或其他聚合物材料制品的支撑，因为硬度较低，可以借助钳子等工具去除，或者使用可溶性材料作为支撑，工件打印完后浸泡在溶解液中，支撑材料会被溶解。但是在金属材料的3d打印工艺中，用钳子去除支撑材料很耗费时间，去除效果也不够理想，还需要后期打磨，并且至今没有发现水溶性金属可以作为辅助支撑材料。

因为不能很好处理支撑材料的去除，目前打印含有较大悬垂角度的悬垂结构时，一般应用可倾斜工作台、五轴平台或机械手臂，提高可实现的最大悬垂角度上限，但相比三坐标式，需要增加复杂的手动路径规划，并且造价高昂。

owenj.hildreth等人在打印不锈钢材料时使用低碳钢作为支撑材料，并用电化学腐蚀的方法将支撑材料溶解掉，该成果发表在《3dprintingandadditivemanufacturing》杂志“dissolvablemetalsupportsfor3ddirectmetalprinting”一文中。但是该方法需要选择合适的辅助材料和溶解剂，操作较复杂，依然需要较长时间，并且打印时使用的支撑材料越多，溶解所消耗的时间也越长。除此之外，支撑材料和溶解剂不能循环利用，不符合绿色制造的理念。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种更加简单快捷的用于直接能量沉积式金属3d打印后期去除辅助支撑的方法，该方法能够在不增加工艺环节的前提下去除支撑，并且实现支撑材料的回收利用。

本发明采用的技术方案如下：

一种使用低熔点合金便于金属3d打印去除支撑的方法，采用双喷头打印系统，主喷头供给主体材料，用于打印产品的主体构件，副喷头供给低熔点合金材料，用于打印产品的支撑件，在成品打印成型后进行热处理时，将支撑件融化。

进一步的，在打印之前，首先使用上位机软件，根据待成型工件的结构添加辅助支撑，然后生成包含每一层打印路径的切片数据，并上传到打印机上。

进一步的，打印机根据切片数据，自动执行预定路径和切换所需的喷头，在打印主体材料时移动主喷头，在打印支撑材料时移动副喷头；层层熔化并凝固完成毛坯制作。

进一步的，由于金属在3d打印过程中冷却速度较快，会产生残余应力，因此通常需要进行热处理。而低熔点合金的最大特点就是熔点低(232℃以下)，不同的金属材料选用的热处理温度各有差异，但远高于此温度，因此在对成品进行热处理的同时就可以将其熔化并去除掉。采用的支撑材料的熔点低于工件在进行热处理时的热处理温度。

进一步的，所述的支撑材料的选择根据所述的主体材料进行选择，要求支撑材料的熔点低于主体材料。

进一步的，所述的支撑材料采用低熔点合金。

进一步的，在低熔点合金熔化后用容器收集，由于熔凝过程只发生物理变化，材料化学性质并未改变，因此可以回收后重新制造粉末或线材原料，实现材料再利用。

本发明能够实现的有益效果：

本发明可应用于直接金属熔化的3d打印方式，低熔点合金辅助支撑材料可以在进行热处理工艺的同时被去除掉，因此整个过程中相对于原先的处理，并不增加新的工艺环节，相比其他后处理方式能够节约大量时间，节约人力物力成本，并且可以获得更好的表面质量。同时，熔化后的低熔点合金可以回收再利用，更符合绿色制造的原理。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1悬垂结构示意图；

图2支撑结构示意图；

图中：1工件，2低熔点合金辅助支撑，3基板。

具体实施方式

下应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明公开的使用低熔点合金便于金属3d打印去除支撑的方法，采用双喷头打印系统，主喷头供给主体材料，用于打印产品的主体构件，副喷头供给低熔点合金材料，用于打印产品的支撑件，在成品打印成型后进行热处理时，将支撑材料融化；具体的如图1、2所示，工件1和低熔点合金辅助支撑均在基板3上形成，通过工件1通过低熔点合金辅助支撑2支撑，在后续的工艺处理时，低熔点合金辅助支撑2将被融化掉；具体的工艺过程如下：

1.在打印之前，首先使用上位机软件，根据待成型工件的结构添加辅助支撑，然后生成包含每一层打印路径的切片数据，并上传到打印机上。

2.打印机根据切片数据，自动执行预定路径和切换所需的喷头，在打印主体材料时移动主喷头，在打印支撑材料时移动副喷头；层层熔化并凝固完成毛坯制作。

3.由于金属在3d打印过程中冷却速度较快，会产生残余应力，因此通常需要进行热处理。而低熔点合金的最大特点就是熔点低(232℃以下)，不同的金属材料选用的热处理温度各有差异，但远高于此温度，因此在对成品进行热处理的同时就可以将其熔化并去除掉。

4.低熔点合金回收再利用。在低熔点合金熔化后用容器收集，由于熔凝过程只发生物理变化，材料化学性质并未改变，因此可以回收后重新制造粉末或线材原料，实现材料再利用。

下面以打印不锈钢拱形主体工件、使用200℃铋锡低熔点合金作辅助支撑为例，本发明的步骤如下：

1.准备316l不锈钢和铋锡低熔点合金粉末，将316l不锈钢配备到主喷头系统里面，将铋锡低熔点合金粉末配备到副喷头供给系统里面。

2.将工件模型上传到上位机，完成切片，将切片数据导入打印机，开始打印。

3.打印完毕后将带支撑的工件用锡纸包裹放入加热炉中进行热处理，摆放成合理位置以便低熔点合金熔化后可自然流下并收集；设置热处理的加热温度为600℃，保温时间2小时；开始进行热处理。

4.热处理结束后取出工件，分离工件、基板，在低熔点合金熔化后用容器收集，由于熔凝过程只发生物理变化，材料化学性质并未改变，因此可以回收铋锡低熔点合金后重新制造粉末或线材原料，实现材料再利用。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。