CN104801704A - 一种用于三维打印的形状记忆合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种用于三维打印的形状记忆合金材料，主要由以下重量份原料制备而成：金属泡沫粉50-60份，形状记忆合金颗粒30-40份，醇溶性树脂3-8份，分散剂0.1-0.5份；形状记忆合金颗粒在金属泡沫粉的孔隙中被固定，通过研磨细化得到平均粒径在50-100目的球形材料，在三维打印加热和冷却过程中，形状记忆合金颗粒在金属泡沫粉的微孔中发生形变，而金属泡沫粉作为打印的支撑，保证了三维打印成型时制品的形状不受是形状记忆合金颗粒形变的影响，从而得到高精密度的形状记忆合金制品。
Description
技术领域
本发明属于3D打印制造领域，具体涉及3D打印材料，进一步涉及用于3D打印的形状记忆合金智能材料。
背景技术
增材制造技术（Additive Manufacturing），又称快速成型技术、三维打印技术，通俗的称谓是3D打印制造技术。是近20来信息技术、新材料技术与高端制造技术多学科融合发展的先进制造技术。3D打印制造技术是一种通过逐层增加堆积材料来生成三维实体的快速增材制造技术，不但克服了传统减材制造造成的损耗，而且使产品制造更智能化，更精准，更高效。尤其是涉及到复杂形状的高端制造，3D打印技术显示出巨大的优越性。
3D打印制造技术是一种全新的制造理念，最终将应用于大工业规模化智能生产。而目前通过3D打印技术制造工艺复杂的智能材料，充分发挥了3D打印精密制造的优势，如将3D打印技术用于制造电活性聚合物、形状记忆材料、压电材料、电磁流变体、生物医疗器械、磁致伸缩材料等。
形状记忆是指具有初始形状的制品，在一次变形后，通过加热等手段进行处理，又能回复初始形状的现象。形状记忆材料可通过热、电、磁、光、化学或机械等外加刺激，触发其做出响应，从而改变材料的某些参数，如形状位置、应变、频率、摩擦特征等。由于形状记忆材料具有形状记忆效应、高回复形变良好的抗震性和适应性，以及易与其它材料结合形成复合材料等优异的性能，使其发展越来越受到人们的重视,在人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸器、智能阀门、智能玩具、热机模型等领域得到应用。
由于形状记忆材料大多应用于形状复杂的特定制品，而形状记忆合金材料受温度形变较大，因此在3D打印成型时前后温度变化大，导致制品精密度受到影响。从而限制了3D打印技术在形变记忆性材料制品加工中的应用。
发明内容
目前形状记忆性材料用于3D打印制造时因具有形状记忆效应，在温度变化后发生形状转变，导致制品的打印精度降低。针对这一缺陷，本发明提出一种三维打印的形状记忆合金材料。该形状记忆合金材料以金属泡沫粉作为载体，在三维打印加热和冷却过程中，形状记忆合金颗粒在金属泡沫粉的微孔中发生形变，而金属泡沫粉作为打印的支撑，保证了三维打印成型时制品的形状不受是形状记忆合金颗粒形变的影响，从而得到高精密度的形状记忆合金制品。
进一步提供一种三维打印的形状记忆合金材料的制备方法。
一种用于三维打印的形状记忆合金材料，是通过如下技术方案实现的：
一种用于三维打印的形状记忆合金材料，其特征是：基于金属泡沫粉为载体，形状记忆合金颗粒在金属泡沫粉的孔隙中被固定，通过研磨细化得到平均粒径在50-100目的球形材料，适用于三维打印制造高精密度形状记忆合金制品；主要由如下重量份原料制备而成：
金属泡沫粉 50-60份，
形状记忆合金颗粒 30-40份，
醇溶性树脂 3-8份，
分散剂 0.1-0.5份；
其中，所述的金属泡沫粉为泡沫铜粉、泡沫铝粉、泡沫铁粉、泡沫镍粉、泡沫镁粉、泡沫钛粉、泡沫锌粉中的一种，具有三维通孔结构，孔隙均匀，孔隙率80%以上，平均粒径50目；
所述的形状记忆合金颗粒为钛镍合金颗粒、镍锰合金颗粒、钛铂合金颗粒中的一种，平均粒径在1250-2500目；
所述的醇溶性树脂为热塑性醇溶树脂，选用醇溶性酚醛树脂、醇溶性聚酰胺树脂、醇溶性聚丙烯酸酯树脂中的至少一种；
所述的分散剂为明胶、海藻胶、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇、马来酸酐与醋酸乙烯的共聚物、聚丙烯酸盐中的至少一种。
本发明用于三维打印的形状记忆合金材料的制备方法，其特征是按照如下方式进行：
1）将3-8重量份的醇溶性树脂通过乙醇回流搅拌溶解，溶解温度设定为60-65℃，至醇溶性树脂完全溶解；
2）将步骤1）预制的醇溶性树脂溶液与30-40重量份的形状记忆合金颗粒、0.1-0.5重量份的分散剂加入高速分散机，同时加入乙醇调节粘度在100-150cp，以5000-10000rpm的转速高速分散3-5min，得到形状记忆合金颗粒分散物；
3）将步骤2）得到的形状记忆合金颗粒分散物与50-60重量份的金属泡沫粉置于真空混合机中，设定真空混合机的温度为80-90℃，真空压力0.1-0.3MPa，以50-100rpm的转速混合，随着乙醇的逐步真空脱出，使形状记忆合金颗粒分散物吸附在金属泡沫粉的孔隙中形成干粉状微细颗粒；
4）将步骤3）得到的干粉状微细颗粒通过圆盘研磨机研磨、50目过筛，得到大小均匀的球形颗粒，即用于三维打印的形状记忆合金材料。
上述制备方法，其特征在于步骤4）所述的圆盘研磨机为双盘研磨机，研磨料在上、下研磨盘之间，通过上磨盘旋转达到研磨和滚球成型，并通过上下调节以控制物料的细度。
本发明一种用于三维打印的形状记忆合金材料，该形状记忆合金材料以金属泡沫粉作为载体，在三维打印加热和冷却过程中，形状记忆合金颗粒在金属泡沫粉的微孔中发生形变，而金属泡沫粉作为打印的支撑，保证了三维打印成型时制品的形状不受是形状记忆合金颗粒形变的影响，利用具有热塑特性的醇溶性树脂，使形状记忆合金颗粒均匀分散、包覆并驻留在金属泡沫粉的微孔中，同时在三维打印时，具有热塑粘接性。从而得到高精密度的形状记忆合金制品，克服了形状记忆合金材料初始形状成型的不稳定性。
本发明一种用于三维打印的形状记忆合金材料及其制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、本发明一种用于三维打印的形状记忆合金材料，以金属泡沫粉作为载体，形状记忆合金颗粒在金属泡沫粉的微孔中发生形变，而金属泡沫粉作为打印的支撑，保证了三维打印成型时制品的形状不受是形状记忆合金颗粒形变的影响，从而得到高精密度的形状记忆合金制品，克服了形状记忆合金材料初始形状成型的不稳定性。
2、本发明一种用于三维打印的形状记忆合金材料，利用具有热塑特性的醇溶性树脂，使形状记忆合金颗粒均匀分散、包覆并驻留在金属泡沫粉的微孔中，在三维打印时，具有热塑粘接性。
3、本发明一种用于三维打印的形状记忆合金材料，通过在醇溶树脂在液状态下对形状记忆合金颗粒表面改性、真空吸附和圆盘研磨，得到的形状记忆合金材料粒度分布窄、粒度均匀，呈球形，极大地提高了三维打印使物料输送的均匀性。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
1）将5重量份的醇溶性酚醛树脂通过乙醇回流搅拌溶解，溶解温度设定为60-65℃，至醇溶性树脂完全溶解；
2）将步骤1）预制的醇溶性酚醛树脂溶液与30重量份平均粒径1250目的钛镍合金颗粒、0.1重量份的明胶加入高速分散机，同时加入乙醇调节粘度在100cp，以5000rpm的转速高速分散5min，得到形状记忆合金颗粒分散物；
3）将步骤2）得到的形状记忆合金颗粒分散物与50重量份平均粒径50目的泡沫铜粉置于真空混合机中，设定真空混合机的温度为80-90℃，真空压力0.1MPa，以50rpm的转速混合，随着乙醇的逐步真空脱出，使形状记忆合金颗粒分散物吸附在泡沫铜粉的孔隙中形成干粉状微细颗粒；
4）将步骤3）得到的干粉状微细颗粒通过圆盘研磨机研磨、50目过筛，得到大小均匀的球形颗粒，即用于三维打印的形状记忆合金材料。
将实施例1得到的形状记忆合金材料通过三维打印技术制造得到一种精密套筒接头，与设计初始形状相比精密值为正负0.01mm。
实施例2
1）将6重量份的醇溶性聚酰胺树通过乙醇回流搅拌溶解，溶解温度设定为60-65℃，至醇溶性树脂完全溶解；
2）将步骤1）预制的醇溶性聚酰胺树溶液与35重量份平均粒径1500目的镍锰合金颗粒、0.2重量份的藻胶加入高速分散机，同时加入乙醇调节粘度在120cp，以8000rpm的转速高速分散3min，得到形状记忆合金颗粒分散物；
3）将步骤2）得到的形状记忆合金颗粒分散物与50重量份平均粒径50目的泡沫铁粉置于真空混合机中，设定真空混合机的温度为80-90℃，真空压力0.2MPa，以100rpm的转速混合，随着乙醇的逐步真空脱出，使形状记忆合金颗粒分散物吸附在泡沫铁粉的孔隙中形成干粉状微细颗粒；
4）将步骤3）得到的干粉状微细颗粒通过圆盘研磨机研磨、50目过筛，得到大小均匀的球形颗粒，即用于三维打印的形状记忆合金材料。
将实施例2得到的形状记忆合金材料通过三维打印技术制造得到一种灭火器的弹簧热敏感收缩驱动装置。
实施例3
1）将8重量份的醇溶性聚丙烯酸酯树脂通过乙醇回流搅拌溶解，溶解温度设定为60-65℃，至醇溶性树脂完全溶解；
2）将步骤1）预制的醇溶性聚丙烯酸酯树脂溶液与40重量份平均粒径2000目的钛铂合金颗粒、0.3重量份的羟丙基甲基纤维素加入高速分散机，同时加入乙醇调节粘度在130cp，以10000rpm的转速高速分散5min，得到形状记忆合金颗粒分散物；
3）将步骤2）得到的形状记忆合金颗粒分散物与60重量份平均粒径50目的泡沫铝粉置于真空混合机中，设定真空混合机的温度为80-90℃，真空压力0.3MPa，以80rpm的转速混合，随着乙醇的逐步真空脱出，使形状记忆合金颗粒分散物吸附在泡沫铝粉的孔隙中形成干粉状微细颗粒；
4）将步骤3）得到的干粉状微细颗粒通过圆盘研磨机研磨、50目过筛，得到大小均匀的球形颗粒，即用于三维打印的形状记忆合金材料。
将实施例3得到的形状记忆合金材料通过三维打印技术制造得到一种医疗矫正器。
实施例4
1）将5重量份的醇溶性酚醛树脂通过乙醇回流搅拌溶解，溶解温度设定为60-65℃，至醇溶性树脂完全溶解；
2）将步骤1）预制的醇溶性酚醛树脂溶液与40重量份平均粒径2500目的镍锰合金颗粒、0.5重量份的聚乙烯醇加入高速分散机，同时加入乙醇调节粘度在150cp，以10000rpm的转速高速分散4min，得到形状记忆合金颗粒分散物；
3）将步骤2）得到的形状记忆合金颗粒分散物与60重量份平均粒径50目的泡沫镍粉置于真空混合机中，设定真空混合机的温度为80-90℃，真空压力0.3MPa，以100rpm的转速混合，随着乙醇的逐步真空脱出，使形状记忆合金颗粒分散物吸附在泡沫镍粉的孔隙中形成干粉状微细颗粒；
4）将步骤3）得到的干粉状微细颗粒通过圆盘研磨机研磨、50目过筛，得到大小均匀的球形颗粒，即用于三维打印的形状记忆合金材料。
实施例5
1）将8重量份的醇溶性聚酰胺树通过乙醇回流搅拌溶解，溶解温度设定为60-65℃，至醇溶性树脂完全溶解；
2）将步骤1）预制的醇溶性聚酰胺树溶液与30重量份平均粒径2000目的镍锰合金颗粒、0.2重量份的聚丙烯酸盐加入高速分散机，同时加入乙醇调节粘度在130cp，以8000rpm的转速高速分散3min，得到形状记忆合金颗粒分散物；
3）将步骤2）得到的形状记忆合金颗粒分散物与50重量份平均粒径50目的泡沫钛粉置于真空混合机中，设定真空混合机的温度为80-90℃，真空压力0.2MPa，以100rpm的转速混合，随着乙醇的逐步真空脱出，使形状记忆合金颗粒分散物吸附在泡沫钛粉的孔隙中形成干粉状微细颗粒；
4）将步骤3）得到的干粉状微细颗粒通过圆盘研磨机研磨、50目过筛，得到大小均匀的球形颗粒，即用于三维打印的形状记忆合金材料。
Claims (4)
1.一种用于三维打印的形状记忆合金材料，其特征是：基于金属泡沫粉为载体，形状记忆合金颗粒在金属泡沫粉的孔隙中被固定，平均粒径在50-100目的球形材料，适用于三维打印制造高精密度形状记忆合金制品；主要由如下重量份原料制备而成：
金属泡沫粉 50-60份，
形状记忆合金颗粒 30-40份，
醇溶性树脂 3-8份，
分散剂 0.1-0.5份；
其中，所述的金属泡沫粉为泡沫铜粉、泡沫铝粉、泡沫铁粉、泡沫镍粉、泡沫镁粉、泡沫钛粉、泡沫锌粉中的一种，具有三维通孔结构，孔隙均匀，孔隙率80%以上，平均粒径50目；
所述的形状记忆合金颗粒为钛镍合金颗粒、镍锰合金颗粒、钛铂合金颗粒中的一种，平均粒径为1250-2500目；
所述的醇溶性树脂为热塑性醇溶树脂；
所述的分散剂为明胶、海藻胶、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇、马来酸酐与醋酸乙烯的共聚物、聚丙烯酸盐中的至少一种。
2.根据权利要求1所述一种用于三维打印的形状记忆合金材料，其特征在于：所述的热塑性醇溶树脂选用醇溶性酚醛树脂、醇溶性聚酰胺树脂、醇溶性聚丙烯酸酯树脂中的至少一种。
3.一种制备如权利要求1所述用于三维打印的形状记忆合金材料的方法，其特征是按照如下方式进行：
1）将3-8重量份的醇溶性树脂通过乙醇回流搅拌溶解，溶解温度设定为60-65℃，至醇溶性树脂完全溶解；
2）将步骤1）预制的醇溶性树脂溶液与30-40重量份的形状记忆合金颗粒、0.1-0.5重量份的分散剂加入高速分散机，同时加入乙醇调节粘度在100-150cp，以5000-10000rpm的转速高速分散3-5min，得到形状记忆合金颗粒分散物；
3）将步骤2）得到的形状记忆合金颗粒分散物与50-60重量份的金属泡沫粉置于真空混合机中，设定真空混合机的温度为80-90℃，真空压力0.1-0.3MPa，以50-100rpm的转速混合，随着乙醇的逐步真空脱出，使形状记忆合金颗粒分散物吸附在金属泡沫粉的孔隙中形成干粉状微细颗粒；
4）将步骤3）得到的干粉状微细颗粒通过圆盘研磨机研磨、50目过筛，得到大小均匀的球形颗粒，即用于三维打印的形状记忆合金材料。
4.根据权利要求3所述一种用于三维打印的形状记忆合金材料的制备方法，其特征在于：步骤4）所述的圆盘研磨机为双盘研磨机，研磨料在上、下研磨盘之间，通过上磨盘旋转达到研磨和滚球成型，并通过上下调节以控制物料的细度。
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