一种3d打印零部件的方法
【技术领域】
[0001]本发明提供了一种适用范围较广的粉末成型技术，属于粉末冶金生产工艺中复杂形状金属部件制备技术领域，特别涉及了一种3D打印零部件的方法。
【背景技术】
[0002]3D打印技术集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，它解决了传统加工技术在产品外形和制造上的限制，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为相应的原型或零件。利用3D打印技术可以解决复杂形状制品的成型问题，目前应用于金属粉末的3D打印技术主要是激光烧结技术，它是利用高能激光将球形度极高的金属粉末按激光烧结路径熔化后粘结在一起，形成特殊形状部件，此法应用范围较窄，无法适用于大部分金属材料。
[0003]粉末冶金工作者多年来利用了各种方法成型复杂形状金属部件，但始终难以找到类似陶瓷泥塑一类的快速、无模成型方法。
[0004]实践证明，利用料浆直接进行3D打印，有两大技术难点。
[0005]难点一，是研究和采用适用于3D打印的金属料浆。实际上这种料浆需要符合四大条件:
[0006](I)金属粉体和胶液要互容，包括物理互容和化学互容；
[0007](2)金属料浆流动性好，能实现管道化输送，容易控制其流向、流量及截面形状；
[0008](3)金属料楽要求一定的金属粉末固相含量(>50νο1.% )；
[0009](4)固化时间要控制到很短，即料浆挤出后能迅速固化，这是型坯是否会发生变形的关键。
[0010]难点二，在设备功能设计上要解决下列问题。包括三个部分:
[0011](I)料仓能够实现料浆的压力储存与定量供应；
[0012](2)金属料浆必须通过管道输送，要实现液态料浆的软管自由、灵活、准确输送；
[0013](3)喷头的设计，需要通过特殊的设计解决金属料浆与固化剂之间输送与固化间的矛盾。
[0014]上述两大问题是不可分割的，经过深入研究和反复试验，本专利在设备逐渐完善的基础上，解决了金属料浆的成分、特性、制备工艺与在相关(3D冷打印)设备上的使用性能等问题，形成了完整的发明技术。
[0015]经过近30年文献检索，没有查到利用金属料浆进行3D打印制备复杂形状金属部件的专利和有关报道。
【发明内容】
[0016]本发明的目的在于提供一种3D打印零部件的方法，解决以金属料浆作为原材料的无模复杂形状型坯成型问题，及在室温或低温下(<100°C )进行3D打印的问题，本发明的3D打印零部件的方法操作性强、工艺稳定，具有广阔的应用前景。为了与激光烧结一类的3D打印技术相区别，本发明将这种在室温或低温下(〈100°C)进行3D打印的技术自称为“3D冷打印”技术。
[0017]为达到上述目的，本发明提供一种3D打印零部件的方法，包括以下步骤:
[0018](I)制备金属料浆；
[0019](2)型坯模型参数设计，获得型坯的每层截面χ-y轴坐标的扫描路径信息，并输入3D打印设备；
[0020](3) 3D打印整体固化型坯，包括:将金属料浆置于3D打印设备的料浆压力储存与定量供料系统的料仓中；通过所述料浆压力储存与定量供料系统将所述金属料浆管道化输送至3D打印设备的料浆3D打印喷头处；按照每层扫描路径，控制料浆3D打印喷头使金属料浆挤出并在3D打印设备的打印平台上进行微区三维堆筑，在堆筑的同时，进行热引发固化和/或化学固化引发；
[0021](4)固化型坯脱胶，将溶剂和胶体除去；
[0022](5)烧结，得到目标形状的金属零部件。
[0023]优选地，所述方法还包括对烧结后的金属部件进行后续处理，所述后续处理包括热处理和/或热等静压，从而使所述烧结件获得满足部件使用要求的组织或性能。
[0024]优选地，所述金属料楽的粘度高于0.5Pa.s并低于IPa.S，固相含量高于50νο1.% ο
[0025]优选地，所述金属料浆的制备方法包括水基胶液制备和金属料浆制备，
[0026]所述水基胶液制备包括:将62?74wt.%的第一单体与26?38wt.%的交联剂混合，在室温下搅拌均匀后加入第一单体和交联剂总量10?25wt.%的第一溶剂，制成胶液，所述第一单体选自丙烯酸、丙烯酰胺、甲基二丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯酮或其组合，所述交联剂选自N，N-二甲基二丙烯酰胺，所述第一溶剂选自水，优选去离子水；
[0027]所述金属料浆制备包括:根据金属粉末密度进行计算，将金属粉末加入所述水基胶液中，制成固相含量50vol.%以上的金属料浆，加入金属料浆重量的0.0lwt.%?0.02wt.%的分散剂后，在室温下搅拌，并使用酸碱调节剂调节料浆酸碱度，所述金属粉末选自有色金属粉末、黑色金属粉末、合金粉末、颗粒增强金属基复合材料粉末或其组合，所述分散剂选自油酸，所述酸碱调节剂选自氨水、六次甲基四胺或其组合。
[0028]优选地，所述金属料浆的制备方法包括有机基胶液制备和金属料浆制备，
[0029]所述有机基胶液制备包括:将40?55wt.%的第二单体和45?60wt.%的第二溶剂混合，在室温下搅拌均匀后制成胶液，所述第二单体选自甲基丙烯酸羟乙酯，所述第二溶剂选自甲苯；
[0030]所述金属料浆制备包括:根据金属粉末密度进行计算，将金属粉末加入有机基胶液中，制成固相含量50vol.%以上的金属料浆，加入金属料浆重量的0.0lwt.%?0.02wt.%的分散剂后，在室温下搅拌，所述金属粉末选自有色金属粉末、黑色金属粉末、合金粉末、颗粒增强金属基复合材料粉末或其组合，所述分散剂选自油酸。
[0031]优选地，所述化学固化引发时，所述的适合3D打印的金属料浆还包括催化剂，所述催化剂为料浆质量的0.lwt%? 0.25wt%，所述催化剂选自N，N, N’，N’ -四甲基乙二胺、N，N’ - 二甲基苯胺或其组合。
[0032]优选地，所述化学固化引发时的化学固化剂包括溶剂和引发剂，
[0033]当金属料楽为水基金属料楽时，所述溶剂选自第一溶剂，引发剂选自过硫酸钱;当金属料浆为有机基金属料浆时，所述的溶剂选自第二溶剂，引发剂选自过氧化苯甲酰。
[0034]优选地，所述热引发固化时，控制所述料浆3D打印喷头的加热装置将出料平面温度加热至70?100°C，所述料浆3D打印喷头的芯管出料口内的金属料浆由周围循环水冷却在20?30 °C内，处于未固化状态，金属料浆出料后，由20?30 °C升温至引发温度，使金属料浆原位固化成型。
[0035]优选地，所述化学引发固化时，将化学固化剂置于3D打印设备的化学固化剂压力储存与定量供料系统的料仓中，通过所述化学固化剂压力储存与定量供料系统将所述化学固化剂管道化输送至3D打印设备的料浆3D打印喷头的出料口处，在所述金属料浆挤出的同时，通过控制化学固化剂压力储存与定量供料系统送出化学固化剂，使金属料浆原位固化成型。
[0036]优选地，通过增加料浆压力储存与定量供料系统进行多种金属料浆的依次打印。
[0037]本发明的有益效果在于:
[0038](I)本发明提供一种用金属料浆3D打印型坯制备金属零部件的方法，解决以金属料浆作为原材料的无模复杂形状型坯成型问题，为粉末冶金方法快速制备复杂形状零件提供新途径。
[0039](2)本发明提供的3D冷打印的固化原理实际是金属粉末在三维凝胶网络中原位固化成型，它的原理对所使用的原料粉末成分，特别是颗粒形状无要求，适用范围广，除纯金属和合金外还可应用于多种金属复合材料的多层、多区域复合。
[0040](3) 3D冷打印技术无需使用激光，不用将金属材料加热到熔化温度，直接在室温或低温(〈100°C )下成型，技术稳定，可操作性强。
[0041](4)利用3D冷打印技术直接制备复杂形状金属零件型坯，能够最大限度节省原材料，且打印出的制品无需或仅需少量后期加工，可满足各领域金属零部件的制备要求。
【附图说明】
[0042]图1是本发明实施例所使用的3D打印设备的示意图；
[0043]图2是图1中所示的3D打印设备所使用的喷头的截面图。
[0044]其中，附图标记说明如下:
[0045]1、