CN105057664B - 一种3d打印粉料及3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D打印粉料及3D打印方法。所述3D打印粉料包括不锈钢粉末和分散于所述不锈钢粉末中的氢氧化铁粉末。一种3D打印方法，包括如下步骤：a.以所述的3D打印粉料作为成型粉料，通过微滴喷射粘结的方法，逐层喷射粘结剂微液滴使3D打印粉料逐层成型并叠加，从而形成3D打印坯体；b.将所述3D打印坯体在还原气氛下进行脱脂烧结，从而获得3D打印制品。本发明可以在保证3D打印制品密实度的前提下显著降低产品制作成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种3D打印粉料及3D打印方法。
背景技术
3D打印是一种通过逐层添加材料获得三维制件的增材制造技术。通常所见的3D打印的材料有丝状、粉末状的金属、塑料、陶瓷等等。虽然3D打印技术在最近几年获得了飞速发展，但材料方面的研发相对缓慢，限制了3D打印技术的广泛应用。在金属3D打印方面，常见的3D打印工艺有激光选择性熔融(SLM)、微滴喷射粘结(3DP)等。这些方法都使用金属粉末作为成型材料，并且对粉末的性能要求较高，如高的密度、高的球形度、均匀的成分、窄的尺寸分布等，这就对粉末的制造提出了更高的要求。目前针对金属粉末已经有多种方法进行掺杂或表面改性以提高其3D打印的适用性。发明专利“一种用于3D打印的不锈钢复合粉料及其制备方法”(申请号：201510269051.9)发现往不锈钢粉末中添加适量的纳米铁粉、镍粉可以提高粉末的振实密度，有助于获得拥有相对较高密度的3D打印制品。但是金属纳米粉体价格昂贵，会导致复合粉料价格过高。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种3D打印粉料及3D打印方法，既能大大降低3D打印制品的成本，又能保证3D打印制品具有较高密度和强度。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种3D打印粉料，包括不锈钢粉末，还包括分散于所述不锈钢粉末中的氢氧化铁粉末。
进一步地：
所述氢氧化铁粉末是水溶性铁盐与水溶性碱类物质在水中反应，形成氢氧化铁沉淀物，再通过清洗过滤而得到的氢氧化铁纳米粒子。
所述氢氧化铁粉末与不锈钢粉末的质量比在1:150到1:400之间。
所述不锈钢粉末的颗粒直径在10-100微米之间。
一种3D打印方法，包括如下步骤：
a.以所述的3D打印粉料作为成型粉料，通过微滴喷射粘结的方法，逐层喷射粘结剂微液滴使3D打印粉料逐层成型并叠加，从而形成3D打印坯体；
b.将所述3D打印坯体在还原气氛下进行脱脂烧结，从而获得3D打印制品。
进一步地：
所述粘结剂微液滴包括水溶性高分子材料和水。
所述水溶性高分子材料包括聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯醇。
在进行所述3D打印坯体的脱脂烧结时，通入氢气或一氧化碳作为还原剂。
烧结采用逐步升温的方式进行烧结，最高温度在900℃-1350℃之间。
本发明提供了一种3D打印粉料及采用该3D打印粉料的简单廉价的3D打印方法。该3D打印粉料包括不锈钢粉末和分散于所述不锈钢粉末中的氢氧化铁粉末，以此3D打印粉料作为成型粉料，采用逐层喷射粘结剂微液滴的方法进行3D打印成型，成型后的坯体在一氧化碳或氢气等还原气氛如氢气或一氧化碳下进行烧结，粉料中的氢氧化铁纳米粒子在高温和还原气体作用下被还原成铁纳米粒子并填充于不锈钢粉末的间隙中，与不锈钢粉末烧结形成一体。本发明有助于获得高强度、高密度的3D打印不锈钢烧结制品，尤其具有工艺简单、成本低廉的显著优点。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
在一种实施例中，一种3D打印粉料，包括不锈钢粉末以及添加并分散于所述不锈钢粉末中的氢氧化铁粉末。
所述氢氧化铁粉末可以是由水溶性铁盐与水溶性碱类物质在水中反应，形成氢氧化铁沉淀物，再通过清洗过滤而得到的氢氧化铁纳米粒子。
优选地，所述氢氧化铁粉末与不锈钢粉末的质量比在1:150到1:400之间。
优选地，所述不锈钢粉末的颗粒直径在10-100微米之间。所述不锈钢粉末的外形优选为球形。
在一种实施例中，一种3D打印方法，包括如下步骤：
a.以所述的3D打印粉料作为成型粉料，通过微滴喷射粘结的方法，逐层喷射粘结剂微液滴使3D打印粉料逐层成型并叠加，从而形成3D打印坯体；
b.将所述3D打印坯体在还原气氛下进行脱脂烧结，从而获得3D打印制品。
优选地，脱脂烧结过程采用逐步升温的方式进行烧结，且最高温度设定在900℃-1350℃之间，效果尤其佳，能使制品达到很好的密实度。
为实施本发明，具体可以采用以下几个工艺步骤：
1.利用化学沉淀法，即采用水溶性铁盐与水溶性碱类物质在水中反应，生成氢氧化铁纳米粒子在盐水溶液中的沉淀。然后将盐水溶液过滤掉，用纯水将沉淀清洗并过滤数次，得到含有少量水分的氢氧化铁纳米粒子沉淀物。
2.将含有少量水分的氢氧化铁纳米粒子沉淀物加入到一定量的不锈钢粉末中，用过研磨搅拌使之混合均匀。然后将上述粉料烘干，使水分蒸发完全，再次进行高速研磨搅拌，使氢氧化铁纳米粒子均匀分散于不锈钢粉末中，得到复合成型粉料。其中加入到不锈钢粉末中的氢氧化铁的质量与不锈钢粉末的质量比在1:150到1:400之间。不锈钢粉末的直径在10-100微米之间。优选采用球形的不锈钢粉末。
3.将上述复合成型粉料采用微滴喷射粘结剂的方式进行3D打印，即通过喷射粘结剂微液滴，将需要成型的粉末粘接起来，然后逐层叠加获得三维的粘结坯体。其中粘结剂的主要成分是高分子和水。
4.将上述粘结坯体在还原气氛的存在下进行脱脂烧结，获得三维的制件。其中还原气氛指的是一氧化碳或氢气。在脱脂烧结过程中复合粉料会发生以下变化：粉料中的氢氧化铁纳米粒子首先在高温下分解成氧化铁和水，水分蒸发，氧化铁在高温和还原剂作用下被还原成铁纳米粒子，填充在不锈钢粉末的间隙中，并通过高温烧结与不锈钢粉末形成一体，从而获得高密度和高强度的烧结制品。
实例1：
采用化学沉淀法制备氢氧化铁纳米沉淀物。首先各自制备氯化铁和氢氧化钠的水溶液。将氢氧化钠水溶液滴入氯化铁的水溶液中，并施加搅拌，生成氢氧化铁在氯化钠水溶液中的纳米沉淀物。反应如下：
FeCl3+3NaOH→Fe(OH)3↓+3NaCl
其中参加反应的氯化铁和氢氧化钠的质量比设定为1.35:1。反应完成后，将溶液过滤，并用纯水清洗过滤3次，得到含有少量水分的氢氧化铁纳米沉淀物。将上述沉淀物加入到型号为316L的不锈钢成型粉末(D50＝35微米)中。通过研磨和搅拌使沉淀物均匀分散于不锈钢成型粉末中。然后用烘箱将上述粉末烘干，除去残留的水分，再次进行研磨和搅拌，使氢氧化铁纳米粒子均匀分散于不锈钢粉末中，获得复合成型粉料。氢氧化铁沉淀物与不锈钢成型粉末的质量比设定为1:260。
将复合成型粉料用微滴喷射的方法粘结，逐层叠加，从而3D打印成为三维的坯体。从喷头喷射高分子粘结剂溶液，喷射的液滴一般是微米级的，故称为微滴。具体地，喷头的移动、喷射路径可由计算机控制，喷射的粘结剂液滴将喷头下方指定位置的成型粉末粘接住。粘接完一层后，停止喷射。可由辊子再铺一层新粉，将底层已经粘接住的粉末覆盖住。喷头再次进行喷射，将铺好的新一层粉末上的指定位置再次粘接住，然后再铺一层新粉。以此方式逐层粘接叠加，最终获得三维的粘接坯体。
本例中，粘结剂的主要成分是聚乙烯吡咯烷酮和水。坯体打印完成后再进行脱脂烧结，以获得高密度和高强度的三维制件。在逐渐升温过程中复合粉料中的氢氧化铁将分解为氧化铁。在烧结温度达到700℃以上时通入氢气，复合粉料中的氧化铁纳米粒子将被还原成为铁纳米粒子，填充于不锈钢粉末的空隙中。逐步升温至1050℃，在这个过程中铁纳米粒子与不锈钢粉末烧结在一起，获得高密度的烧结制品。
实例2：
以硝酸铁和氨水作为反应物，采用化学沉淀法制备氢氧化铁纳米沉淀物。首先制备硝酸铁的水溶液。将氨水滴入硝酸铁的水溶液中，并施加搅拌，生成氢氧化铁在硝酸铵水溶液中的纳米沉淀物。反应如下：
Fe(NO3)3+3NH3·H2O→Fe(OH)3↓+3NH4NO3
其中参加反应的硝酸铁和氨水的质量比设定为2.3:1。反应完成后，将溶液过滤，并用纯水清洗过滤3次，得到含有少量水分的氢氧化铁纳米沉淀物。将上述沉淀物称量质量，并加入到型号为316L的不锈钢成型粉末(D50＝35微米)中。通过研磨和搅拌将带有少量水分的沉淀物均匀分散于不锈钢成型粉末中。然后用烘箱将上述粉末烘干，除去残留的水分，再次进行研磨和搅拌，使氢氧化铁纳米粒子均匀分散于不锈钢粉末中，获得复合成型粉料。氢氧化铁沉淀物与不锈钢成型粉末的质量比设定为1:260。
将复合成型粉料用微滴喷射的方法粘结，逐层叠加而形成三维的坯体。从喷头喷射高分子粘结剂溶液，喷射的液滴一般是微米级的，故称为微滴。具体地，喷头的移动、喷射路径可由计算机控制，喷射的粘结剂液滴将喷头下方指定位置的成型粉末粘接住。粘接完一层后，停止喷射。可由辊子再铺一层新粉，将底层已经粘接住的粉末覆盖住。喷头再次进行喷射，将铺好的新一层粉末上的指定位置再次粘接住，然后再铺一层新粉。以此方式逐层粘接叠加，最终获得三维的粘接坯体。
本例中，粘结剂的主要成分是聚乙烯醇和水。坯体打印完成后再进行脱脂烧结，以提高三维制件的密度和强度。在逐渐升温过程中复合粉料中的氢氧化铁将分解为氧化铁。在烧结温度达到700℃以上时通入一氧化碳气体，复合粉料中的氧化铁纳米粒子将被还原成为铁纳米粒子，填充于不锈钢粉末的空隙中，起到提高制件密度的作用。将温度逐渐升至1100℃，在此过程中纳米铁粒子与不锈钢粉末烧结成为一体，获得高密度的烧结制品。
以上内容是结合具体/优选的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，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种3D打印方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.以3D打印粉料作为成型粉料，通过微滴喷射粘结的方法，逐层喷射粘结剂微液滴使3D打印粉料逐层成型并叠加，从而形成3D打印坯体，其中所述3D打印粉料包括不锈钢粉末和分散于所述不锈钢粉末中的氢氧化铁粉末；
b.将所述3D打印坯体在还原气氛下进行脱脂烧结，所述氢氧化铁粉末在高温和还原气体作用下被还原成铁纳米粒子并填充于不锈钢粉末的间隙中，与不锈钢粉末烧结形成一体，从而获得3D打印制品。
2.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述粘结剂微液滴包括水溶性高分子材料和水。
3.如权利要求2所述的3D打印方法，其特征在于，所述水溶性高分子材料包括聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯醇。
4.如权利要求1至3任一项所述的3D打印方法，其特征在于，在进行所述3D打印坯体的脱脂烧结时，通入氢气或一氧化碳作为还原剂。
5.如权利要求1至3任一项所述的3D打印方法，其特征在于，所述脱脂烧结采用逐步升温的方式进行烧结，最高温度在900℃-1350℃之间。
6.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述氢氧化铁粉末是水溶性铁盐与水溶性碱类物质在水中反应，形成氢氧化铁沉淀物，再通过清洗过滤而得到的氢氧化铁纳米粒子。
7.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述氢氧化铁粉末与不锈钢粉末的质量比在1:150到1:400之间。
8.如权利要求1或6或7所述的3D打印方法，其特征在于，所述不锈钢粉末的颗粒直径在10-100微米之间。
9.如权利要求1或6或7所述的3D打印方法，其特征在于，所述不锈钢粉末的外形为球形。
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