一种用于粘结剂喷射增材制造的粘结剂、制备方法及使用方法

本发明涉及增材制造领域，具体涉及一种用于粘结剂喷射增材制造的粘结剂、制备方法及使用方法。

背景技术：

1、粘结剂喷射打印(bj)作为增材制造的一种方法，通过逐层喷射粘结剂来粘合金属或陶瓷粉末，以形成坯体。与选择性激光熔化(slm)和直接能量沉积(ded)相比，它具备安全稳定、速度快、成本低、部件组织均匀等优点，有助于金属、陶瓷及复合材料部件的批量生产。

2、粘结剂在bj增材制造中扮演着关键角色，影响了产品的成形精度和成分残留，进而决定最终部件的性能。现有粘结剂的核心成分多为保密，开发环保且性能优异的粘结剂需要进行大量实验，掌握自主可控的新型粘结剂配方和研发技术变得尤为重要。

3、bj技术面临的挑战之一是提高生坯强度。目前的解决方案是使用分子量更大、固结后强度更高的高分子材料作为粘结剂基料，但存在流动渗透性不佳的问题；bj技术面临的挑战之二是提高致密度。目前的解决方案是使用含纳米粒子的粘结剂来提升致密度，但在生产中存在喷嘴堵塞和喷射不均的问题。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种流动性良好、有效提高产品表面形貌和致密度的用于粘结剂喷射增材制造的粘结剂、制备方法及使用方法。

2、技术方案：一种用于粘结剂喷射增材制造的粘结剂，所述粘结剂包括如下重量份的组分：基料10～15份、乙二醇5～10份、乙二醇单丁醚5～10份、2-吡咯烷酮5～10份、去离子水60～70份。

3、可选的，所述基料为平均分子量40000的聚乙烯吡咯烷酮。

4、可选的，所述基料为平均分子量不同的聚乙烯吡咯烷酮均匀混合所得，平均分子量范围为10000～100000。

5、优选的，所述基料为平均分子量分别为24000、40000、58000的聚乙烯吡咯烷酮以1:1:1的质量比混合所得。

6、优选的，所述粘结剂还包括无水醋酸铜1～5份、金属有机框架材料mofs0.01～5份。

7、具体的，所述金属有机框架材料mofs包括cu-mof、al-mof。

8、本发明还提供一种用于粘结剂喷射增材制造的粘结剂制备方法，包括以下步骤：

9、(1)在室温下，将乙二醇加入去离子水中，搅拌5分钟；

10、(2)在步骤(1)所得体系中加入乙二醇单丁醚，搅拌5分钟；

11、(3)在步骤(2)所得体系中加入2-吡咯烷酮，搅拌5分钟；

12、(4)在步骤(3)所得体系中加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌30分钟，得到粘结剂。

13、优选的，在上述步骤(4)所得体系中加入金属有机框架材料mofs，搅拌30分钟，接着加入无水醋酸铜，搅拌30分钟，得到粘结剂。

14、本发明还提供一种用于粘结剂喷射增材制造的粘结剂使用方法，包括以下步骤：

15、(1)打印坯体：将粘结剂和金属粉末放入打印装置，打印设定形状的坯体；

16、(2)烘干溶剂：将步骤(1)所得坯体置于烘箱中，设定温度180℃，保温4～8小时；

17、(3)坯体脱粘：将步骤(2)所得坯体置于管式炉中，在流量300ml/min的h2氛围下，以2℃/min的升温速度升温至600℃，保温7h；

18、(4)坯体烧结：将步骤(3)所得坯体置于管式炉中，h2流量不变，以5℃/min的升温速度升温至850℃，保温1.5h，之后以5℃/min速度升温至1380℃，保温4h，冷却至室温，得到烧结件。

19、具体的，所述金属粉末包括316l不锈钢粉末、skh-9模具钢粉末、m2工具钢粉末。

20、有益效果：与现有技术相比，本发明的显著效果是：本发明采用聚乙烯吡咯烷酮作为基料用于固结金属粉末，乙二醇作为增湿剂用于提高粘结剂在金属粉末表面的润湿性能，乙二醇单丁醚作为流平剂用于降低粘结剂表面张力，2-吡咯烷酮作为稳定剂用于保持粘结剂的化学均匀性与稳定性，去离子水作为溶剂，通过使用不同平均分子量的聚乙烯吡咯烷酮混合作为基料，既保证了粘结剂的流动渗透性，又提高了打印得到的生坯强度；进一步地，在粘结剂中加入可溶性盐无水醋酸铜和金属有机框架材料mofs，mofs用以吸附游离态铜离子以在粘结剂中溶解更多醋酸铜，在高温下醋酸铜分解为纳米颗粒铜，有效提高了最终烧结件的致密度，同时避免了喷嘴堵塞的问题。

技术特征：

1.一种用于粘结剂喷射增材制造的粘结剂，其特征在于，所述粘结剂包括如下重量份的组分：基料10～15份、乙二醇5～10份、乙二醇单丁醚5～10份、2-吡咯烷酮5～10份、去离子水60～70份。

2.根据权利要求1所述的粘结剂，其特征在于：所述基料为平均分子量40000的聚乙烯吡咯烷酮。

3.根据权利要求1所述的粘结剂，其特征在于：所述基料为平均分子量不同的聚乙烯吡咯烷酮均匀混合所得，平均分子量范围为10000～100000。

4.根据权利要求3所述的粘结剂，其特征在于：所述基料为平均分子量分别为24000、40000、58000的聚乙烯吡咯烷酮以1:1:1的质量比混合所得。

5.根据权利要求4所述的粘结剂，其特征在于：所述粘结剂还包括无水醋酸铜1～5份、金属有机框架材料mofs0.01～5份。

6.根据权利要求5所述的粘结剂，其特征在于：所述金属有机框架材料mofs包括cu-mof、al-mof。

7.权利要求1～4中任一项所述的用于粘结剂喷射增材制造的粘结剂制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.权利要求5所述的用于粘结剂喷射增材制造的粘结剂制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.权利要求1～6中任一项所述粘结剂使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的粘结剂使用方法，其特征在于：所述金属粉末包括316l不锈钢粉末、skh-9模具钢粉末、m2工具钢粉末。

技术总结
本发明提供一种用于粘结剂喷射增材制造的粘结剂、制备方法及使用方法。采用聚乙烯吡咯烷酮作为基料用于固结金属粉末，乙二醇作为增湿剂用于提高粘结剂在金属粉末表面的润湿性能，乙二醇单丁醚作为流平剂用于降低粘结剂表面张力，2‑吡咯烷酮作为稳定剂用于保持粘结剂的化学均匀性与稳定性，去离子水作为溶剂，通过使用不同平均分子量的聚乙烯吡咯烷酮混合作为基料，既保证了粘结剂的流动渗透性，又提高了打印得到的生坯强度；进一步地，在粘结剂中加入可溶性盐无水醋酸铜和金属有机框架材料MOFs，MOFs用以吸附游离态铜离子以在粘结剂中溶解更多醋酸铜，在高温下醋酸铜分解为纳米颗粒铜，有效提高了最终烧结件的致密度，同时避免了喷嘴堵塞的问题。

技术研发人员：阚鑫锋,陈超,王凡,袁康
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4