光固化间接增材制造金属铜异形件的方法及金属铜异形件

本发明涉及金属增材制造，特别涉及一种光固化间接增材制造金属铜异形件的方法及金属铜异形件。

背景技术：

1、铜是一种具有优良导热和导电性能的金属材料，在各类工业中都有着及其重要的应用。铜的传统加工方法为空气中熔炼后浇筑成型，成本较低，工艺较为成熟，但是随着功能器件的小型化、集约化、高功率化，需要复杂结构金属铜构件的服役场景逐渐增多，传统加工方法难以满足。

2、以激光增材制造技术为代表的金属增材制造技术为异型金属铜构件制备带来崭新的途径。然而，金属铜的激光增材制造技术面临着较多问题。一是金属铜是一种高反射率材料，主流增材制造设备大多采用波长为1064nm的激光器，铜对该波长激光的反射率达到95％，从而无法吸收足够能量，导致融化不充分，气孔和球化现象加重，性能不佳较差，并且发射的激光还会损害设备的光学系统；二是激光增材制造设备和专用粉体的价格都较为高昂，甚至需要进行定制，极大限制了应用

3、由此，一种适当的金属铜增材制造方法是极为必要的。例如，专利cn 113695567 a公布了一种用于选区激光烧结打印覆膜铜合金及制备和烧结方法，通过化学法将粘接剂接枝到粉体表面，再采用选区激光烧结成型，得到金属铜复杂构件；专利cn 115740486 a公布了一种光固化打印硬质合金刀具及其制备方法，涉及了将金属铜粉体直接和光敏树脂混合，采用光固化成型的制备途径。

4、然而，选区激光烧结、粘接剂喷射等工艺精度较差，无法满足精密金属铜构件的制备。光固化技术的精度较高，但是由于铜的密度较大，在浆料中会不可避免的发生沉降从而导致打印失效。直接采用金属铜粉为原料，在脱脂过程中，含氧的有机物易与铜反应，导致铜中氧含量较高，影响最终性能。

技术实现思路

1、本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种光固化间接增材制造金属铜异形件的方法及金属铜异形件，采用密度较小的纳米氧化铜/氧化亚铜为前驱体，结合光固化制备技术，获得精度较高、致密度较大、性能优异的金属铜三维异型构件。

2、本发明采用如下方案：

3、一方面，本发明提供了一种光固化间接增材制造金属铜异形件的方法，包括：

4、s1、光固化浆料制备：将一定比例的铜氧化物前驱体、光敏树脂、光引发剂和添加剂充分混合，经球磨和真空处理后，制得光固化浆料；

5、s2、光固化增材制造：将所述光固化浆料置于打印机中，进行增材制造，得到铜的氧化物前驱体坯体；

6、s3、热处理：将所述铜的氧化物前驱体坯体依次进行脱脂、还原和烧结，得到致密的金属铜异形件。

7、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s1中，所述铜氧化物前驱体为纳米氧化铜或纳米氧化亚铜粉末，粒径50-200nm。

8、光敏树脂是一些不饱和的丙烯酸单体，含有碳碳双键。

9、引发剂能够激活这些光敏树脂分子，当在特定波长的紫外光照射下，碳碳双键打开，彼此链接，将单体分子链接成长链分子，即发生交联反应，宏观上来看从液体树脂变成固体的塑料。

10、添加剂有两种，一是表面改性的，附着在粉体的表面，使得粉体能够均匀的分散在有机物中，降低体系的黏度，便于打印；二是吸收光的，由于紫外光照射在粉体上会发生漫反射，导致固化的实际图形与设计的模型不符，吸光剂可以吸收散射的光，保证打印精度。

11、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s1中，所述铜氧化物前驱体在所述光固化浆料中的体积百分比为40-50％；

12、所述光敏树脂包括丙烯酰吗啉(acmo)、1,6-己二醇双丙烯酸酯(hdda)、二缩三丙二醇二丙烯酸酯(tpgda)、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(tpgda)、乙氧化季戊四醇四丙烯酸酯(pptta)、聚氨酯丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯中的一种或几种，所述光敏树脂在所述光固化浆料中的体积比为40％-50％；

13、所述光引发剂包括2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯(tpo-l)、2,4,6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦(tpo)、1-羟基环己基苯基甲酮(184)中的一种或几种，其占光敏树脂的质量比为1％-5％。

14、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s1中，所述添加包括对硅烷偶联剂kh570、表面润湿剂byk118、油酸等改性剂中的一种或几种。

15、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s1中，球磨的转速为300-400r/min，球磨时间为15-20小时，真空度不大于0.1mpa。

16、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s2中，所述打印机为数字光处理(dlp)打印机或立体光刻(sla)打印机。

17、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s3中，对所述铜的氧化物前驱体坯体在一定温度和惰性气氛下进行脱脂，在一定温度和还原性气氛下进行还原和烧结。

18、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，脱脂的惰性气氛为氩气或氮气，脱脂温度范围为500-600℃；还原气氛为氢气，还原温度为600-700℃；烧结气氛为氢气，烧结温度范围为850-950℃。

19、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，脱脂的保温时间不少于1h，还原的保温时间不少于1.5h，烧结的保温时间不少于1.5h。

20、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，脱脂分两个阶段，

21、另一方面，本发明还提供了一种金属铜异形件，通过上述的方法制得。

22、本发明的有益效果为：

23、1、无需高能激光束熔化铜粉，可以制备组织均匀、性能优异的金属铜构件。

24、2、使用的设备相较于其他增材制造工艺成本都更低，具有批量化生产的能力。

25、3、采用氧化物作为前驱体，相较于纯铜粉体密度降低了近30％(树脂的密度在1.1g/cm3左右，而铜粉体的密度是8.96g/cm3，在浆料中不可避免的会发生沉降，如果采用氧化铜，密度为6.31g/cm3，密度有30％的降低)，制得的光敏浆料能够长时间保持稳定而不沉降。

技术特征：

1.一种光固化间接增材制造金属铜异形件的方法，其特征在于，所述方法包括：

2.如权利要求1所述的光固化间接增材制造金属铜异形件的方法，其特征在于，步骤s1中，所述铜氧化物前驱体为纳米氧化铜或纳米氧化亚铜粉末，粒径50-200nm。

3.如权利要求1所述的光固化间接增材制造金属铜异形件的方法，其特征在于，步骤s1中，所述铜氧化物前驱体在所述光固化浆料中的体积百分比为40-50％；

4.如权利要求1所述的光固化间接增材制造金属铜异形件的方法，其特征在于，步骤s1中，所述添加剂包括对硅烷偶联剂kh570、表面润湿剂byk118、油酸中的一种或几种。

5.如权利要求1所述的光固化间接增材制造金属铜异形件的方法，其特征在于，步骤s1中，球磨的转速为300-400r/min，球磨时间为15-20小时，真空度为不大于0.1mpa。

6.如权利要求1所述的光固化间接增材制造金属铜异形件的方法，其特征在于，步骤s2中，所述打印机为数字光处理打印机或立体光刻打印机。

7.如权利要求1所述的光固化间接增材制造金属铜异形件的方法，其特征在于，步骤s3中，对所述铜的氧化物前驱体坯体在一定温度和惰性气氛下进行脱脂，在一定温度和还原性气氛下进行还原和烧结。

8.如权利要求7所述的光固化间接增材制造金属铜异形件的方法，其特征在于，脱脂的惰性气氛为氩气或氮气，脱脂温度范围为500-600℃；还原气氛为氢气，还原温度为600-700℃；烧结气氛为氢气，烧结温度范围为850-950℃。

9.如权利要求8所述的光固化间接增材制造金属铜异形件的方法，其特征在于，脱脂的保温时间不少于1h，还原的保温时间不少于1.5h，烧结的保温时间不少于1.5h。

10.一种金属铜异形件，其特征在于，所述金属铜异形件通过如权利要求1-9任一项所述的方法制得。

技术总结
本发明涉及金属增材制造技术领域，提供了一种光固化间接增材制造金属铜异形件的方法及金属铜异形件，所述方法包括：光固化浆料制备、光固化增材制造、热处理。本发明无需高能激光束熔化铜粉，可以制备组织均匀、性能优异的金属铜构件；使用的设备相较于其他增材制造工艺成本都更低，具有批量化生产的能力；在脱脂阶段不会分解放出气体，结合两步脱脂法，可以完全避免裂纹和孔隙的引入；本发明采用铜的氧化物作为前驱体，相较于纯铜粉体密度降低了近30％，制得的光敏浆料能够长时间保持稳定而不沉降。

技术研发人员：张百成,张茂航,蔡嘉伟,赵琛,张雨薇,曲选辉
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14