一种金属3d打印方法

文档序号:9799839阅读:709来源:国知局
一种金属3d打印方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于3D打印技术领域,具体涉及一种金属3D打印方法。
【背景技术】
[0002]目前国内外金属3D打印普遍采用大功率激光或者电子束将金属粉末分层烧结成型,这种金属3D打印技术有以下缺陷:1.制造的零件易变形,在熔化金属粉末时,零件内易产生较大的应力,复杂结构需要添加支撑以抑制变形的产生;2.制造过程可控性差,局部熔化金属粉末时,对粉末材料的含氧量、形貌以及粒径分布等性能参数要求较高,零件性能的稳定性控制较为困难;3.设备操作危险性高,该成型过程必须要在惰性气体保护下使用大功率激光或电子束进行烧结,故其危险性较高;4.成本昂贵,设备必须使用大功率激光或电子束进行金属烧结,热能转换效率低、设备成本昂贵、维护困难。因此目前传统金属3D打印技术难以满足人们对高质量金属3D打印零件的需求,无法真正普遍运用于社会生产中。

【发明内容】

[0003]为了解决现有金属3D打印制造成本高,危险性高,零件致密度低,表面粗糙度高等问题,本发明提供了一种金属3D打印方法,以达到制造过程安全性高、金属3D打印制造成本低、制造的零件更加致密,表面粗糙度更低的目的。
[0004]为了实现上述目的,本发明所采用的技术方案是:结合金属粉末注射成型技术与微滴喷射自由成型技术,在金属胚体成型过程中,通过微滴喷射黏结剂分层黏结金属粉末,完成三维金属粉末的黏结,形成金属胚体;再将成型的金属胚体从成型缸中取出,放入烧结炉,先通过热脱脂过程去除胚体中的黏结剂,然后对已去除黏结剂的胚体进行高温烧结,使金属颗粒收缩形成致密的金属零件。
[0005]本发明的步骤为:
[0006](I)制备黏结剂:制备黏结剂,用于金属粉末的黏结;黏结剂的组分及重量配比为:60?65%聚苯乙烯、15?20%聚乙烯、10?15%硬脂酸、5?10%邻苯二甲酸二乙酯或者55?65%聚甲基丙烯酸甲酯、15?25%乙烯-醋酸乙烯酯、15?20%硬脂酸或者35?45%乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、15?20%甲基丙烯酸甲酯共聚物、25?30%石蜡、5?15%邻苯二甲基二丁酯;
[0007](2)数据建模:利用三维设计软件设计零件模型,导出快速成型格式,导入分层切片软件设置参数进行切片,得到切片数据;
[0008](3)制造金属胚体:使用微滴喷射自由成型技术的成型技术,通过微滴喷头喷射黏结剂将黏结剂与金属粉末逐层黏结形成金属胚体;制造金属胚体过程为:将黏结剂加入微滴喷射供料系统,供粉缸装入金属粉末,铺平压实,然后将切片数据导入微滴喷射自由成型设备,微滴喷射供料系统供料给由计算机控制进行XY平面运动的微滴喷头,微滴喷头喷射出金属粉末黏结剂,喷射在成型缸内的金属粉末上,该层喷射黏结完成后,成型缸下降一个层厚,两边供粉缸上升一个层厚,推出若干粉末,并被铺粉辊推到成型缸,铺平并被压实;如此周而复始地送粉、铺粉和喷射黏结剂,最终完成一个三维金属粉末的黏结,形成金属胚体;
[0009](4)去除黏结剂:将金属胚体从成型缸中取出,利用金属粉末注射成型技术的热脱脂工艺高温烧结炉中于以I?3摄氏度每分钟慢速升温到150?350摄氏度,持续时间5?10小时,对金属胚体中的黏结剂进行脱除;针对零件的不同要求以及金属粉末的性质,该热脱脂过程可在真空、空气、氢气、氮氢混合气、氢氩混合气、氮氢水混合气等气体中进行;在该热脱脂过程中,金属胚体被加热至热脱脂黏结剂挥发温度,使热脱脂黏结剂受热分解发生物态变化,转变为气态,达到脱除目的;
[0010](5)烧结:使用金属粉末注射成型技术的烧结工艺,在高温烧结炉内在500?2000摄氏度对已脱除黏结剂的胚体进行持续2?10小时的高温烧结;
[0011](6)冷却金属零件:停止加热,将烧结完成的金属零件在炉内冷却;
[0012](7)取出金属零件:将冷却完成的金属零件从高温烧结炉中取出。
[0013]所述金属粉末为铁、铝、铜、不锈钢、硬质合金、钨合金、钛合金、低合金钢、高温合金等精细金属粉末,金属粉末颗粒度为0.5?20μπι。
[0014]作为本发明优选的实施方式,针对不同的金属粉末,在步骤(5)中,铝的烧结温度在500?600摄氏度,不锈钢的烧结温度在1300?1400摄氏度,铁的烧结温度在1200?1300摄氏度,铜的烧结温度在1400?1500摄氏度,钨合金的烧结温度在1400?1500摄氏度,烧结过程持续时间3?6小时。
[0015]作为本发明优选的实施方式,在步骤(6)中,将烧结完成的金属零件在炉内自然冷却至室温;
[0016]与现有技术相比,本发明的有益效果是:
[0017](I)材料广泛,制造材料有铁、铝、铜、不锈钢、硬质合金、钨合金、钛合金、低合金钢、高温合金等精细金属粉末;
[0018](2)能够制造出造型复杂传统机械加工传统粉末冶金难以制造的复杂零件;
[0019](3)零件精细;制造的零件能够达到98 %的相对密度,所制造的金属零件更致密更加精细;
[0020](4)操作安全;不使用激光和电子束等高危险烧结方式,在保证高精度的同时,又能保证操作人员安全,大大降低金属3D打印的风险;
[0021](5)性能可控;先成型,后烧结,烧结过程高度可控,零件的各项性能可控性强,能够制造出性能优异的零件。;
[0022](6)成本低廉;未使用昂贵的激光和电子束,烧结过程能源利用率高,成型设备价格低廉,烧结设备容易获取,综合成本低;
[0023](7)相对传统设备必须要在惰性气体保护下使用大功率激光或电子束进行烧结,本发明针对零件的不同要求以及金属粉末的性质,其热脱脂过程可在真空、空气、氢气、氮氢混合气、氢氩混合气、氮氢水混合气等气体中进行。
【附图说明】
[0024]图1为本发明的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0026]实施例1
[0027]结合金属粉末注射成型技术与微滴喷射自由成型技术,使用铁粉末制作金属齿轮,颗粒度为20μηι。
[0028](I)制备黏结剂:黏结剂的组分及重量配比60%聚苯乙烯、15%聚乙烯、15%硬脂酸、10%邻苯二甲酸二乙酯;
[0029](2)数据建模:利用三维设计软件设计齿轮模型,导出快速成型格式,导入分层切片软件设置参数进行切片,得到切片数据;
[0030](3)制造金属胚体:使用微滴喷射自由成型技术的成型技术,通过微滴喷头喷射黏结剂将黏结剂与金属粉末逐层黏结形成金属胚体;制造金属胚体过程为将黏结剂加入微滴喷射供料系统,供粉缸装入金属粉末,铺平压实,然后将切片数据导入微滴喷射自由成型设备,微滴喷射供料系统供料给由计算机控制进行XY平面运动的微滴喷头,微滴喷头喷射出金属粉末黏结剂,喷射在成型缸内的金属粉末上,该层喷射黏结完成后,成型缸下降一个层厚,两边供粉缸上升一个层厚,推出若干粉末,并被铺粉辊推到成型缸,铺平并被压实。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射金属粉末黏结剂,最终完成一个三维金属粉末的黏结,形成金属胚体;
[0031](4)热脱脂去除黏结剂:将金属胚体从成型缸中取出,利用金属粉末注射成型技术的热脱脂工艺在氮氢混合气为气氛的高温烧结炉中以3摄氏度每分钟慢速升温到150摄氏度,持续时间5小时,完全脱除金属胚体中的黏结剂。在该热脱脂过程中,金属胚体被加热至热脱脂黏结剂挥发温度,使热脱脂黏结剂受热分解发生物态变化,转变为气态,达到脱除目的;
[0032](5)烧结:在高温烧结炉内对已脱除黏结剂的胚体进行烧结,温度为1200?1300摄氏度,持续时间2?3小时;
[0033](6)冷却金属零件:停止加热,将烧结完成的金属零件在炉内自然冷却至室温;
[0034](7)取出金属零件:将冷却完成的金属零件从高温烧结炉中取出。
[0035]实施例2
[0036]结合金属粉末注射成型技术与微滴喷射自由成型技术,使用铝粉末制作金属凸轮,颗粒度为15μηι。
[0037](I)制备黏结剂:黏结剂的组分及重量配比65%聚苯乙烯、15%聚乙烯、10%硬脂酸、10%邻苯二甲酸二乙酯;
[0038](2)数据建模:利用三维设计软件设计凸轮模型,导出快速成型格式,导入分层切片软件设置参数进行切片,得到切片数据;
[0039](3)微滴喷射自由成型制造金属胚体;
[0040](4)热脱脂去除黏结剂:将金属胚体从成型缸中取出,利用金属粉末注射成型技术的热脱脂工艺在真空的高温烧结炉中以2摄氏度每分钟慢速升温到300摄氏度,持续时间7小时,完全脱除金属胚体中的黏结剂;
[0041](5)烧结:在高温烧
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