一种多喷头协同控制金属粉末3D成型方法与流程

本发明涉及3D打印工艺，尤其涉及一种多喷头协同控制金属粉末3D(3DP)成型方法。

背景技术：

3D打印技术从20世纪80年代出现开始，经过近30年的发展，技术越来越成熟，应用也越来越广泛，越来越多的被用于模具制造、工业设计，生物医疗和航空航天等领域。

从发展上来看，从最初的基于分层制造的原理被提出，其后不断涌现出各种新的3D打印工艺，有LOM，3DP，SLA，FDM，SLS，SLM，EBM。

从打印材料来看，目前应用比较多的是主要是高分子材料和金属材料，高分子材料的主要有丝材、粉体和液态的光敏材料等，比如FDM技术主要采用PLA和ABS两种丝材作为主要的打印材料，SLA和DLP技术使用的是光敏树脂，然而在工业上应用更广的是粉体材料，特别是基于热成型的高能束3D打印，比如SLS采用激光束来烧结蜡、聚碳酸酯、尼龙、金属等粉末，SLM技术直接采用激光熔化金属粉末获得高致密度的零件。EBM采用的是电子束，甚至可以采用微束等离子来对金属粉末进行成型。

相比丝材，粉体材料具有打印效率高，更成熟的工艺，和更广泛的应用，特别是对于金属粉末来说。通过高能束来进行3D打印，不管是SLS，SLM，EBM还是等离子束，都需要有昂贵的高能束发生装置，SLS，SLM采用的是激光器，EBM采用的电子枪，等离子束需要一套离子束发生装置，涉及到一些专用设备和真空系统。上述的几种3D打印方法都存在设备昂贵，工艺复杂的特点。

也有采用传统的加工方法对粉体材料进行成型的，比如粉末冶金成型法，这种方法对金属粉末或非金属粉末通过压制、烧结，制成具有一定形状、尺寸、强度的制品。该方法的缺陷在于成型零件的强度较低，流动性不好使得零件的形状受限，零件尺寸一般较小，另一方面，由于成型过程中必须用到模具，考虑到制模的复杂性和模具成本等因素，粉末冶金成型法并不适合复杂零件的单件小批量生产。即便是在粉末冶金基础上发展起来的MIM技术(粉末注射成型技术)，其改善了强度，硬度，延伸率等力学性能高并且能成型复杂零件等性能，依旧无法打破模具本身带来的束缚。

3DP(三维打印技术)是采用粘接剂对粉末进行粘结成型的一种方法，所用到的粉末有陶瓷粉末，金属粉末，型砂等。其与SLS的不同之处在于粉末材料不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件强度较低。这种方法的缺点是强度较低，只能做概念模型，而不能做功能性零件。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种多喷头协同控制金属粉末3D成型方法。解决了现有工艺加工的零件强度较低，只能做概念模型，而不能做功能性零件的技术问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种多喷头协同控制金属粉末3D成型方法，包括如下步骤：

步骤一：零件坯体3D打印步骤

通过3D打印机的两个喷头喷射粘结剂，将成型室内的金属粉末逐层叠加粘结成型，获得所需金属零件坯体；

步骤二：脱脂、熔渗和烧结步骤

先对零件毛坯进行浸渗处理；

再通过溶剂对零件毛坯进行脱脂以去除零件毛坯内部的粘结剂；去除粘结剂后的零件毛坯内部存在大量的空隙、气孔，然后通过熔渗处理工艺，将零件毛坯内部的空隙、气孔进行填充；

熔渗处理后的零件毛坯内部依然残留空隙、气孔，并且金属粉末颗粒之间结合不实，因此，再将零件毛坯置于真空烧结炉中进行二次烧结，以逐渐去除零件毛坯内残留的空隙、气孔。

重复循环步骤二，直至零件内无残留空隙、气孔，使零件毛坯达到所需致密度。步骤二所述脱脂为催化脱脂或者热脱脂。

步骤一所述零件坯体3D打印步骤具体如下：

步骤A：金属粉末经过预制，筛选出粒径为2～15μm的粉末颗粒，放入3D打印机的成型缸内；

步骤B：控制3D打印机的两个喷头按照规定的路径将粘结剂喷射在粉层表面，使金属粉末发生固化，以形成一层固化粉层；接着，成型缸上升该固化粉层四分之一层厚后，铺粉辊7从右向左运动，以对固化粉层表面进行平整、压实处理；

步骤C：铺粉辊7在对步骤B所述固化粉层表面进行平整、压实处理的过程中，该固化粉层表面脱落层的金属粉末及粘结剂的混合物进入废料收集盒；

步骤D：接着，成型缸下降步骤C所述固化粉层四分之一层厚后，铺粉辊7从左向右运动，在此过程中，装有金属粉末的料斗8同步进行送粉，铺粉辊7一边做水平铺粉运动，一边绕自身轴线转动，将金属粉末平铺在该固化粉层的表面，并压实，此过程中，多余的金属粉末则进入粉末回收盒9；

步骤E：重复步骤B至步骤D，直至3D打印机加工结束，并形成粘结成型的零件毛坯6。

步骤一所述两个喷头按照规定的路径将粘结剂喷射在粉层表面，具体过程是，其中一个喷头先对零件的外轮廓进行喷涂粘结，再对零件的内轮廓进行喷涂粘结，最后，由另一个喷头对外轮廓与内轮廓之间的区域进行粘结填充。

所述喷头对内外轮廓进行喷涂粘结时，是沿着零件截面轮廓方向进行顺时针或者逆时针方向运动。

所述喷头对内外轮廓进行喷涂粘结时，是沿着零件截面轮廓单向连续前进。这样使得实际轮廓和设计轮廓相重合，轮廓内外表面可以实现光滑无凹凸起伏。

在进行所述烧结处理之前要先对粘结成型的零件进行脱脂，脱脂的目的是去除零件中所含有的有机粘接剂。而烧结的目的正是通过加热的方法消除脱脂后金属粉末之间的空隙，使得产品达到很高的致密度。

由于在金属粉末的粘结成型的过程中，成型压力非常小，坯体中颗粒接触的比较松散，零件强度较低，如果直接脱去所有的粘结剂，可能对粘结成型零件的结构造成破坏，无法形成烧结骨架，且容易发生溃散和崩塌。所以在进行脱脂之前，要先进行浸渗处理，通常采用溶胶作为浸渗剂。其目的有二，一是增强金属粉末颗粒间的作用力，防止发生发生溃散和崩塌，二是可以填补零件毛坯中的大量空隙，减小烧结过程中的收缩。

浸渗处理是将零件毛坯直接浸没入浸渗剂中，待无气泡产生之后取出，室温下自然风干，为了保证浸渗效果，需要反复进行3-4次的浸渗风干处理。在完成所述浸渗处理后，进行脱脂处理为高温烧结做准备，脱脂方法的选择应依据粘结剂的种类，金属粉末以及零件结构而定。具体还有溶剂脱脂、催化脱脂、虹化脱脂、冷凝蒸汽脱脂等。一般为了实现脱脂后零件变形小，脱脂效果好，速度快的目的，可以采用多种脱脂方法相结合。

本发明将粘结成型及渗透、烧结工艺相结合，去除了零件内部大量的气孔，使零件由疏松变得致密，得到所需致密度及高强度的零件。克服了现有工艺加工的零件强度较低，只能做概念模型，而不能做功能性零件的技术缺陷。

由于粘结成型后的金属粉末之间为点接触，在烧结处理过程中，高温的作用使得颗粒间接触面积的扩大，颗粒聚集，体积收缩。随着颗粒中心距离的逼近，逐渐形成晶界，在这一过程中气孔逐渐被压缩，体积变小，从连通的气孔逐渐变成孤立的气孔，以至排除，最终成为致密体。

附图说明

图1为本发明多喷头协同控制金属粉末3D成型工艺流程图。

图2为现有金属粉末3D成型设备结构示意图；图中：废料收集盒1，金属粉末2，基板3，喷头4、5，成型零件6，铺粉辊7，料斗8，粉末回收盒9。

图3为固化粉层工艺示意图。

图4为粘结成型过程中零件成型截面分割示意图A。

图5为粘结成型过程中零件成型截面分割示意图B。

图6为粘结成型过程中零件成型截面分割示意图C。

图7为粘结成型过程中零件成型截面分割示意图D。

图8为粘结成型过程中零件成型截面分割示意图E。

图9为金属粉末烧结的致密度变化过程示意图。

具体实施方式

下面结合如图1至9及具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

如图1所示，该工艺流程前期为粘结成型，通过采用喷射粘结剂的方法将成型室内的金属粉末粘结成型，获得具有复杂形状结构的金属零件坯体。然后为了保证零件坯体具有一定的强度并保持结构完整性，在脱脂处理前先对零件毛坯进行浸渗处理。再通过溶剂脱脂、催化脱脂、热脱脂等方法去除零件毛坯内部的粘结剂，去除了粘结剂后的零件中产生了大量的空隙，然后通过熔渗工艺将零件内部的空隙填充，熔渗处理后的零件内部依然残留一些空隙，并且金属粉末颗粒之间并没有很好的结合，所以将零件放置于真空烧结炉中进行烧结去除了零件内残留的气孔，使零件由疏松变得致密，使零件达到很高的致密度并具有很高的强度。

如图2所示，金属粉末经过预制，筛选出粒径为2－15μm的粉末颗粒2，放入成型腔室中的成型缸内，控制两个喷头4、5按照规定的路径将粘结剂喷射在粉层表面，使金属粉末发生连接固化，形成固化粉层(厚为T1)，成型缸微微上升，上升距离为T3，然后铺粉辊7从右向左运动，在此过程中，铺粉辊7去除掉已粘结表面上极薄的一层进行平整处理，去除厚度(即脱落层)T3的部分，所得到的实际层厚为T2，见图3，去除掉的部分进入废料收集盒1，然后成型缸下降T3的距离，铺粉辊7从左向右运动，在此过程中，料斗8进行送粉，铺粉辊7一边做水平运动，一边绕自身轴线转动，将粉末铺平并压实。多余的粉进入粉末回收盒9。上述过程不断重复，直到加工结束形成粘结成型的零件毛坯6。

喷头上具有多个直径不同的喷嘴，大小分布为0.1mm-1mm，喷嘴直径的大小决定了喷出粘结剂量的大小，从而决定了粘结层厚的大小。

粘结剂的成分并不是固定的，根据金属粉末不同而改变。主要有热塑性聚合物基粘结剂，凝胶体系粘结剂，热固性树脂粘结剂以及水溶性粘结剂，其满足的基本性能是用量少、不与金属粉末发生任何化学反应，脱脂快，残留少。

如图4所示，显示的是零件的设计图截面形状，截面由内外轮廓包围中间实体部分构成。由于截面可能为不规则的形状，采用喷头喷射粘结剂粘结成型，带动喷头进行X、Y方向运动的步进电机必须反复启停，这样可能对电机造成损害，喷头不断的加减速，对喷射工艺的控制也带来了不便。所以喷头采用单一方向运动控制。

如图5所示，理论上来说，由于喷射出来的液滴在表面张力的作用下，与金属粉末的作用在两端会形成圆弧形的粘结道，使得粘结零件表面凹凸起伏。同时由于液滴自身形状的约束，使得实际成型外轮廓比设计轮廓大，实际成型内轮廓比设计轮廓小，并且实际成型轮廓存在比较明显的形状误差。随着加工层数的增加，这种轮廓误差和形状误差逐渐增大，使得粘结成型的零件表面质量变差，粗糙度很大。

为了改善这种不良的情况，设计出一种新的路径规划方法:如图6所示，将设计图截面的内外轮廓进行向内偏移，形成环状区域1和环状区域2。对于环状区域1，采用其中一个喷头沿着截面轮廓方向进行运动喷射粘结剂，环状区域2采用另一个喷头进行粘结填充，这样使得实际轮廓和设计轮廓相重合，轮廓内外表面可以实现光滑无凹凸起伏，如图7所示。

为了使层间粘结更好的结合，通过设置其中一个喷头沿X、Y轴方向交替移动，实现在层间粘结道正交，如图8所示，该喷头的运动轨迹为：第N层沿着Y方向进行喷射，X轴方向的丝杆在水平方向上进行进给运动，第N+1层沿着X方向进行喷射，Y轴方向的丝杆在竖直方向上进行进给运动。这样实现层间粘结区域正交，大大增强了零件粘结成型的强度。

由于粘结成型后的金属粉末之间为点接触，在烧结处理过程中，高温的作用使得颗粒间接触面积的扩大，颗粒聚集，体积收缩。随着颗粒中心距离的逼近，逐渐形成晶界，在这一过程中气孔逐渐被压缩，体积变小，从连通的气孔逐渐变成孤立的气孔，以至排除，最终成为致密体。

如上所述，烧结处理的目的是消除零件内部残留的气孔，使零件由疏松变得致密，金属颗粒间结合强度增加，零件机械强度提高。在烧结过程中涉及到金属颗粒的粘滞流动、表面扩散、晶界或晶格扩散，以及塑性变形。

在所述烧结处理过程中，烧结温度TS和熔融温度Tm之间的关系为TS≈(0.3～0.4)Tm。

烧结处理会使得零件体积收缩，尺寸减小，这种缺陷可以通过在粘结成型前，对零件进行尺寸补偿来改善。为了防止烧结过程中发生氧化，烧结生在真空热处理炉中进行，或者在惰性气体气氛中进行。

图9展示了烧结过程中金属粉末颗粒聚集，体积缩小，排除气孔，最后形成无孔多晶体的过程。图中a过程表示的是晶粒重排，b1表示疏松堆积的颗粒系统中颗粒中心靠近。b2表示紧密堆积的系统中，颗粒中心的靠近。紧密堆积的粉末容易形成更加致密的零件。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。