CN104353835A - 一种采用3d打印与粉末冶金结合的零件制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采用3D打印与粉末冶金结合的零件制备方法，其技术方案为利用3D打印技术将粉末冶金所需金属或非金属粉末直接成型，然后经过加压、烧结、后处理等工序，制成最终零件。本发明方法相比传统3D打印技术，突破了对原料适用范围的限制，可以用来生产各种金属、陶瓷等材料，并且具有更优越的机械性能。相比传统的粉末冶金技术，不许需要模具，并且可以生成中空结构的零件，在小批量制造、特种零件制造上有独特的优越性。本方法制备的零件，组织均匀、工艺稳定可靠、操作性强、耗时短效率高、成本较低，为3D打印技术制备粉末冶金零件的提供了一种可行的小批量定制化生产方法。

Description

一种采用3D打印与粉末冶金结合的零件制备方法

技术领域： 

本发明涉及一种采用3D打印与粉末冶金结合的零件制备方法，属材料加工技术领域。

背景技术： 

3D打印，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

 虽然高端工业印刷可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印， 但无法实现3D打印。另外，打印机也还没有达到成熟的水平，无法支持日常生活中所接触到的各种各样的材料。 

  粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷材料的制备。由于粉末冶金技术的优点，它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的发展中起着举足轻重的作用。目前，粉末冶金技术已被广泛应用于交通、机械、电子、航空航天、兵器、生物、新能源、信息和核工业等领域，成为新材料科学中最具发展活力的分支之一。粉末冶金技术具备显著节能、省材、性能优异、产品精度高且稳定性好等一系列优点，非常适合于大批量生产。另外，部分用传统铸造方法和机械加工方法无法制备的材料和复杂零件也可用粉末冶金技术制造，因而备受工业界的重视。 

粉末冶金具有独特的化学组成和机械、物理性能，而这些性能是用传统的熔铸方法无法获得的。运用粉末冶金技术可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品，如含油轴承、齿轮、凸轮、导杆、刀具等，是一种少无切削工艺。（1）粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分偏聚，消除粗大、不均匀的铸造组织。在制备高性能稀土永磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化剂、高温超导材料、新型金属材料（如Al-Li合金、耐热Al合金、超合金、粉末耐蚀不锈钢、粉末高速钢、金属间化合物高温结构材料等）具有重要的作用。（2）可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固溶体等一系列高性能非平衡材料，这些材料具有优异的电学、磁学、光学和力学性能。（3）可以容易地实现多种类型的复合，充分发挥各组元材料各自的特性，是一种低成本生产高性能金属基和陶瓷复合材料的工艺技术。（4）可以生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分离膜材料、高性能结构陶瓷磨具和功能陶瓷材料等。（5）可以实现近净形成形和自动化批量生产，从而，可以有效地降低生产的资源和能源消耗。（6）可以充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收废旧金属作原料，是一种可有效进行材料再生和综合利用的新技术。 

目前，粉末冶金技术存在的限制为需要制作模具，在小批量生产、定制生产和特殊应用生产中成本高昂。并且，即使使用模具，受模具成型原理的限制，也无法生产具有中空结构或内部结构复杂的零件。 

北京科技大学的郭志猛等人提出了一种利用3D打印模具制备粉末冶金复杂形状零件的方法，将3D打印技术与凝胶注模成形技术相结合，即使用3D打印机打印复杂形状薄壁中空的零件负型模具，通过凝胶注模工艺制备出金属料浆，加入催化剂、引发剂后将其注入零件负型模具中，待金属料浆固化后干燥，使用有机溶剂将塑料模具溶解或使塑料模具热分解脱除，得到成型的零件坯体，零件坯体经干燥、脱胶和烧结得到所需粉末冶金零件。该方法克服了粉末冶金技术在小批量生产中的模具成本问题，但是仍然无法生产具有中空结构或内部结构复杂的零件。 

  

发明内容：

鉴于以上技术的不足，本发明针对3D打印技术无法适用于多种金属材料、非金属材料的问题、粉末冶金技术在小批量生产中的模具成本问题、粉末冶金和其他金属加工技术无法生产具有中空结构或内部结构复杂的零件的问题，提出一种采用3D打印与粉末冶金结合的零件制备方法，利用3D打印技术将粉末冶金所需金属或非金属粉末直接成型，然后经过加压、烧结、后处理等工序，制成最终零件。

方法所用工序为粉末制备→3D打印成型→烧结→零件后处理。 

方法所用原料为金属或非金属粉末，混合1~50%的光硬化树脂粉末所形成的混合材料。 

3D打印所用硬化类型为光聚合技术，通过光硬化树脂的固化，将整体粉末材料成型。 

烧结在保护气氛的高温炉或真空炉中进行。烧结时至少有一种元素仍处于固态。烧结过程中树脂被高温烧掉，而原有粉末颗粒间通过扩散、再结晶、熔焊、化合、溶解等一系列的物理化学过程，成为具有一定孔隙度的冶金产品。 

对于零件后处理工序，一般情况下，烧结好的制件可直接使用。但对于某些尺寸要求精度高并且有高的硬度、耐磨性的制件还要进行烧结后处理。后处理包括精压、滚压、挤压、淬火、表面淬火、浸油、及熔渗等。 

  

有益效果：

本发明方法相比传统3D打印技术，突破了对原料适用范围的限制，可以用来生产各种金属、陶瓷等材料，并且具有更优越的机械性能。相比传统的粉末冶金技术，不许需要模具，并且可以生成中空结构的零件，在小批量制造、特种零件制造上有独特的优越性。本方法制备的零件，组织均匀、工艺稳定可靠、操作性强、耗时短效率高、成本较低，为3D打印技术制备粉末冶金零件的提供了一种可行的小批量定制化生产方法。

  

具体实施方式：

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下。

采用3D打印，结合粉末冶金，使用耐热Al合金粉末制作汽车涡轮增压器。 

 粉末原料配比为90%耐热Al合金，10%ABS光硬化树脂。 

采用激光3D打印机将粉末成型。 

烧结在真空炉中进行，烧结温度为550~580°C，烧结时间1h。树脂被高温烧掉，Al合金粉末固化成型。成型后做时效处理。 

 对成型零件外形做精加工，内部腔体等不做加工。 

申请人声明，以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.一种采用3D打印与粉末冶金结合的零件制备方法，其特征在于：方法所用工序为粉末制备→3D打印成型→烧结→零件后处理。

2.根据权利1所述的零件制备方法，其特征在于：方法所用原料为金属或非金属粉末，混合1~50%的光硬化树脂粉末所形成的混合材料。

3.根据权利1所述的零件制备方法，其特征在于：3D打印所用硬化类型为光聚合技术，通过光硬化树脂的固化，将整体粉末材料成型。

4.根据权利1所述的零件制备方法，其特征在于：烧结在保护气氛的高温炉或真空炉中进行，烧结时至少有一种元素仍处于固态，烧结过程中树脂被高温烧掉，而原有粉末颗粒间通过扩散、再结晶、熔焊、化合、溶解等一系列的物理化学过程，成为具有一定孔隙度的冶金产品。

5.根据权利1所述的零件制备方法，其特征在于：对于零件后处理工序，一般情况下，烧结好的制件可直接使用，但对于某些尺寸要求精度高并且有高的硬度、耐磨性的制件还要进行烧结后处理，后处理包括精压、滚压、挤压、淬火、表面淬火、浸油、及熔渗等。