CN104889397B - 一种用于3d打印的低熔点金属线材及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于3D打印领域，提供了一种用于3D打印的低熔点金属线材，所述金属线材的原料包括镓基合金或铋基合金或铟基合金，该金属线材的制作方法包括：1）分别称取上述原料，放入容器，并置于真空恒温箱中恒温处理，取出后搅拌，即制得金属墨水；或者，将制得的金属墨水与纳米颗粒或非金属小颗粒混合、搅拌，即得含纳米颗粒或非金属的金属墨水；2）将金属墨水在基板上喷涂成薄板，将薄板切割成长条，制得金属线材；或者，将金属墨水挤出到基板上或缠绕在滚轴上，冷却后制得金属线材。该低熔点金属线材的制作成本大幅度降低；与金属粉末相比，氧化程度大大减小；并可方便应用在价格低廉的家用便携式3D打印机中，打印产品方便回收利用。
Description
技术领域
本发明属于3D打印领域,具体涉及一种用于3D打印的低熔点金属线材及其制作方法。
背景技术
3D打印是快速成型技术的一种，它以数字模型文件为基础，通过软件对模型加以切分和离散化，分解出打印工序，再使用激光束、热熔喷嘴等方式将金属、塑料、陶瓷等材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出所设计的终端产品。3D打印技术在航空航天，汽车，电子等领域中都有广阔的应用前景。
当前金属材料的3D打印一般采用激光快速成型的方法，即用高功率的激光照射试件表面，熔化金属粉末，形成液态熔池，然后移动激光束，熔化前方的粉末而让后方的金属冷却凝固。在打印过程中，需要施加惰性气体保护，喷头控制等措施。金属材料的3D打印制造技术之所以难度大，是因为金属的熔点较高（高达上千度），涉及到金属的固液相变，表面扩散，热传导等多种物理过程。另外，快速的加热和冷却还将引起试件内较大的残余应力。另外，金属3D打印多采用钛合金，镍基高温合金，钨合金，不锈钢等熔点较高的金属粉末做原料，而粉末制造的成本高昂。
与高温金属3D打印路线不同的是，在当前的低成本可普及型3D打印机中，则主要采用熔融沉积技术（FDM，Fused Deposition Modeling），即打印机将线材送进一个受电脑辅助制造软件（CAM,Computer Aid Manufacturing）控制的挤出式喷头，喷头将线型打印材料加热熔化后挤出，挤出后的液态原料迅速冷却固化，从而成型。目前最常用的熔丝线材主要是ABS，人造橡胶，铸蜡和聚酯热塑性塑料等，但这些线材因不具备金属特性如导电性、高强度等，不能实现有导电功能的器件。也因如此，目前国际上在3D打印领域的一个难题是如何实现金属在室温下的打印，特别是与塑料等材料的同时联合打印，此方面必须从崭新的技术思路着手。
发明内容
为实现低成本的金属3D打印，本发明提供一类低熔点金属线材打印材料，可直接用于当前盛行的采用聚合物等塑料类材料作为打印线材的3D打印机中，并提供了该金属线材的制作方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于3D打印的低熔点金属线材，所述金属线材的原料包括镓基合金或铋基合金或铟基合金，其中，镓基合金中镓含量为10wt%-100wt%，铋基合金中铋含量为10wt%-100wt%，铟基合金中铟含量为10wt%-100wt%；优选的，镓基合金中镓含量为50wt%-100wt%，铋基合金中铋含量为50wt%-100wt%，铟基合金中铟含量为50wt%-100wt%。
优选的，所述金属线材的原料还包括纳米颗粒。
进一步地，所述纳米颗粒为镍钛合金、钛镍铜、钛镍铁、钛镍铬、铜镍系合金、铜铝系合金、铜锌系合金、铁系合金。
进一步地，所述纳米颗粒的添加质量百分比为1-10%，直径为1nm-100nm。
优选的，所述金属线材的原料还包括非金属。
进一步地，所述非金属为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS、人造橡胶、铸蜡和/或聚酯热塑性塑料。
进一步地，所述非金属的添加质量为1-10%。
本发明提供了一种上述金属线材的制作方法，包括以下步骤，
1）分别称取上述原料，放入容器，并置于真空恒温箱中恒温处理，取出后搅拌，即制得金属墨水；优选取出后用磁力搅拌器搅拌30-120分钟；或者，将制得的金属墨水与纳米颗粒或非金属小颗粒按照混合，搅拌，即得含纳米颗粒或非金属的金属墨水，优选搅拌30-120分钟。
2）将金属墨水在基板上喷涂成薄板，将薄板切割成长条，制得金属线材；或者，将金属墨水挤出到基板上，冷却后制得金属线材。
优选的，所述步骤1）中，将装有原料的容器置于真空恒温箱中恒温1-4小时，温度为20-500℃，优选温度为100-400℃，更优选温度为200-350℃。
优选的，所述金属线材的莫氏硬度为1-7，熔点为20℃-270℃。
本发明的有益效果：
1、与现在常用的高温金属粉末制作相比，低熔点金属线材的制作成本大幅度降低；
2、金属线材可方便应用在价格低廉的家用便携式3D打印机中；
3、在合金中添加纳米金属颗粒，非金属等，可改变制作线材的力学、电学、热学性能；
4、打印产品方便回收利用；
5、与金属粉末相比，氧化程度大大减小。
附图说明
图1切割式制作用于3D打印的金属线材喷涂示意图；
图2切割式制作用于3D打印的金属线材切割示意图；
图3挤出式制作用于3D打印的硬质金属线材示意图；
图4挤出式制作用于3D打印的软质金属线材示意图；
图中：1、喷涂的金属层；2、喷墨打印喷头；3、基板；4、切刀；5、挤出机喷头；6、挤出的金属线条；7、冷却装置；8、滚轴；9、传送带。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
按照96.4:3.6的质量比分别称取纯镓和纯锌，放入不锈钢容器中，将容器置于350℃的真空恒温箱中恒温2小时，随后用磁力搅拌器搅拌30分钟，即制得镓基合金GaZn3.6墨水，其熔点为24.5℃，莫氏硬度为1.8-3.5。
实施例2
按照50.8:49.2的质量比分别称取纯铟和纯锡，放入不锈钢容器中，将容器置于230℃的真空恒温箱中恒温1小时，随后用磁力搅拌器搅拌100分钟，即制得铟基合金InSn49.2墨水，其熔点为120℃，莫氏硬度为1.2-2。
实施例3
按照49:21:12:18的质量比分别称取纯铋、纯铟、纯锡和纯铅，放入不锈钢容器中，将容器置于250℃的真空恒温箱中恒温4小时，随后用磁力搅拌器搅拌50分钟，即制得铋基合金BiIn21Sn12Pb18墨水，其熔点为58℃，莫氏硬度为1.7-2.3。
实施例4
将实施例1制得镓基合金GaZn3.6墨水，与直径为1nm的镍钛纳米颗粒按照99:1的质量比进行混合，搅拌30分钟-2小时，即制得含有1%镍钛纳米颗粒的GaZn3.6合金墨水，其熔点为24.5℃，莫氏硬度为2-4.5。
实施例5
将实施例2制得铟基合金InSn49.2墨水，与直径为50nm的钛镍铁纳米颗粒按照95:5的质量比进行混合，搅拌30分钟-2小时，即得含有5%镍钛纳米颗粒的InSn49.2合金墨水，其熔点为120℃，莫氏硬度为2.5-5.5。
实施例6
将实施例3制得铋基合金BiIn21Sn12Pb18墨水，与直径为100nm的铜铝系合金纳米颗粒按照90:10的质量比进行混合，搅拌30分钟-2小时，即得含有10%镍钛纳米颗粒的BiIn21Sn12Pb18合金墨水，其熔点为58℃，莫氏硬度为3.5-7。
实施例7
将实施例1制得镓基合金GaZn3.6墨水，与ABS塑料小颗粒按照99:1的质量比进行混合，搅拌30分钟-2小时，即得含有1%ABS塑料的GaZn3.6合金墨水，其熔点为24.5℃，莫氏硬度为1.7-3。
实施例8
将实施例2制得铟基合金InSn49.2墨水与聚酯热塑性塑料小颗粒按照95:5的质量比进行混合，搅拌30分钟-2小时，即得含有5%ABS塑料的InSn49.2合金墨水，其熔点为120℃，莫氏硬度为1-1.8。
实施例9
将实施例3制得铋基合金BiIn21Sn12Pb18墨水，与铸蜡小颗粒按照90:10的质量比进行混合，搅拌30分钟-2小时，即得含有10%ABS塑料的BiIn21Sn12Pb18合金墨水，其熔点为58℃，莫氏硬度为1.2-1.5。
实施例10切割式制作用于3D打印的金属线材
按照97.5:2.5的质量比分别称取纯铋和纯钾，放入不锈钢容器中，将容器置于250℃的真空恒温箱中恒温2小时，随后用磁力搅拌器搅拌30分钟，即制得铋基合金BiK2.5墨水，其熔点为265℃，莫氏硬度为2.3-3。
将配好的铋基合金BiK2.5墨水装入温度为280-300℃的喷墨打印机喷头，在边长为10mm-5m的长方形基板上喷涂厚度为1mm-100mm的金属层，如图1所示。待其凝固之后，用切刀切割成宽度为1mm-100mm的长方体线条，将线条取下整理即制成横截面为长方形的金属线材，如图2所示。
实施例11挤出式制作用于3D打印的硬质金属线材
按照52.2:46:1.8的质量比分别称取纯铟、纯锡和纯锌，放入不锈钢容器中，将容器置于250℃的真空恒温箱中恒温2小时，随后用磁力搅拌器搅拌30分钟，即制得铟基合金InSn46Zn1.8墨水，其熔点为108℃，莫氏硬度为1.5-2。
然后把制好的铟基合金InSn46Zn1.8墨水装入温度为120-130℃的挤出机喷头中，喷头内径为0.1mm-50mm,设置喷头内腔的气压为0-1MPa。按照0.01mm/s-50mm/s的速度移动喷头，墨水即被挤出在基板上，并在外部制冷装置的作用下迅速冷却，凝固之后即制成横截面为圆形的金属线材，如图3所示。
实施例12挤出式制作用于3D打印的软质金属线材
按照86:14的质量比分别称取纯铋和纯锂，放入不锈钢容器中，将容器置于250℃的真空恒温箱中恒温2小时，随后用磁力搅拌器搅拌30分钟，即制得铋基合金BiLi14墨水，其熔点为243℃，莫氏硬度为2-2.5。
然后把制好的铋基合金BiLi14墨水装入温度为265-280℃的挤出机喷头中，喷头内径为0.1mm-50mm,设置喷头内腔的气压为0-1MPa。固定喷头不动，按照0.01mm/s-50mm/s的速度将金属线挤出在以同样速度移动的传送带上，金属线在外部制冷装置的作用下迅速冷却并缠绕在滚轴上，即制成横截面为圆形的金属线材，如图4所示。
实施例13使用金属线材进行3D打印
制作金属线材：按照49:21:12:18的质量比分别称取纯铋、纯铟、纯锡和纯铅，放入不锈钢容器中，将容器置于250℃的真空恒温箱中恒温2小时，随后用磁力搅拌器搅拌30分钟，即制得铋基合金BiIn21Sn12Pb18墨水，其熔点为58℃，莫氏硬度为1.7-2.3。之后，将配好的金属墨水装入温度为58-80℃的喷墨打印机喷头，在边长为10mm-5m的长方形基板上喷涂厚度为1mm-100mm的金属层。待其凝固之后，用切刀切割成宽度为1mm-100mm的长方体线条，将线条取下整理即制成横截面为长方形的金属线材。
采用熔融沉积的3D打印技术，其原理是：金属线材在主动辊和从动辊的摩擦力作用下被送出到挤出机喷头内腔，喷头上方是电阻丝式加热器，在加热器作用下线材被加热到熔融状态，通过带有微细喷嘴的挤出机把金属挤出来。喷头和底板可以在X轴，Y轴，Z轴方向移动，熔融的线材被挤出后随即会和前一层材料熔合在一起。一层材料沉积后喷头与底板距离会增大一个厚度，重复以上步骤直到工件完全成型。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (2)
1.一种用于3D打印的低熔点金属线材，其特征在于，所述金属线材的原料包括铋基合金；
所述金属线材的原料还包括纳米颗粒；所述纳米颗粒为镍钛合金、钛镍铜、钛镍铁、钛镍铬、铜镍系合金、铜铝系合金、铜锌系合金或铁系合金；
所述纳米颗粒的添加质量百分比为1-10％，直径为1nm-100nm；
所述金属线材由如下方法制备得到：
1)称取铋基合金原料，放入容器，将装有铋基合金原料的容器置于真空恒温箱中恒温1-4小时，温度为20-500℃，即制得金属墨水；将制得的金属墨水与纳米颗粒混合，搅拌，即得含纳米颗粒的金属墨水；
2)将所述含纳米颗粒的金属墨水在基板上喷涂成薄板，将薄板切割成长条，制得金属线材；或者，将所述含纳米颗粒的金属墨水挤出到基板上，冷却后制得金属线材。
2.根据权利要求1所述的用于3D打印的低熔点金属线材，其特征在于，所述金属线材的莫氏硬度为1-7，熔点为20℃-270℃。
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