CN105057665A - 一种3d打印零部件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种3D打印零部件的方法，包括以下步骤：(1)制备金属料浆；(2)型坯模型参数设计；(3)3D打印整体固化型坯，包括：将金属料浆置于3D打印设备的料浆压力储存与定量供料系统的料仓中；通过所述料浆压力储存与定量供料系统将所述金属料浆管道化输送至3D打印设备的料浆3D打印喷头处；按照每层扫描路径，控制料浆3D打印喷头使金属料浆挤出并在3D打印设备的打印平台上进行微区三维堆筑，在堆筑的同时，进行热引发固化和/或化学固化引发；(4)固化型坯脱胶，将溶剂和胶体除去；(5)烧结，得到目标形状的金属零部件。该方法操作性强、工艺稳定，具有广阔的应用前景。

Description

一种3D打印零部件的方法

技术领域

本发明提供了一种适用范围较广的粉末成型技术，属于粉末冶金生产工艺中复杂形状金属部件制备技术领域，特别涉及了一种3D打印零部件的方法。

背景技术

3D打印技术集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，它解决了传统加工技术在产品外形和制造上的限制，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为相应的原型或零件。利用3D打印技术可以解决复杂形状制品的成型问题，目前应用于金属粉末的3D打印技术主要是激光烧结技术，它是利用高能激光将球形度极高的金属粉末按激光烧结路径熔化后粘结在一起，形成特殊形状部件，此法应用范围较窄，无法适用于大部分金属材料。

粉末冶金工作者多年来利用了各种方法成型复杂形状金属部件，但始终难以找到类似陶瓷泥塑一类的快速、无模成型方法。

实践证明，利用料浆直接进行3D打印，有两大技术难点。

难点一，是研究和采用适用于3D打印的金属料浆。实际上这种料浆需要符合四大条件：

(1)金属粉体和胶液要互容，包括物理互容和化学互容；

(2)金属料浆流动性好，能实现管道化输送，容易控制其流向、流量及截面形状；

(3)金属料浆要求一定的金属粉末固相含量(>50vol.％)；

(4)固化时间要控制到很短，即料浆挤出后能迅速固化，这是型坯是否会发生变形的关键。

难点二，在设备功能设计上要解决下列问题。包括三个部分：

(1)料仓能够实现料浆的压力储存与定量供应；

(2)金属料浆必须通过管道输送，要实现液态料浆的软管自由、灵活、准确输送；

(3)喷头的设计，需要通过特殊的设计解决金属料浆与固化剂之间输送与固化间的矛盾。

上述两大问题是不可分割的，经过深入研究和反复试验，本专利在设备逐渐完善的基础上，解决了金属料浆的成分、特性、制备工艺与在相关(3D冷打印)设备上的使用性能等问题，形成了完整的发明技术。

经过近30年文献检索，没有查到利用金属料浆进行3D打印制备复杂形状金属部件的专利和有关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种3D打印零部件的方法，解决以金属料浆作为原材料的无模复杂形状型坯成型问题，及在室温或低温下(<100℃)进行3D打印的问题，本发明的3D打印零部件的方法操作性强、工艺稳定，具有广阔的应用前景。为了与激光烧结一类的3D打印技术相区别，本发明将这种在室温或低温下(<100℃)进行3D打印的技术自称为“3D冷打印”技术。

为达到上述目的，本发明提供一种3D打印零部件的方法，包括以下步骤：

(1)制备金属料浆；

(2)型坯模型参数设计，获得型坯的每层截面x-y轴坐标的扫描路径信息，并输入3D打印设备；

(3)3D打印整体固化型坯，包括：将金属料浆置于3D打印设备的料浆压力储存与定量供料系统的料仓中；通过所述料浆压力储存与定量供料系统将所述金属料浆管道化输送至3D打印设备的料浆3D打印喷头处；按照每层扫描路径，控制料浆3D打印喷头使金属料浆挤出并在3D打印设备的打印平台上进行微区三维堆筑，在堆筑的同时，进行热引发固化和/或化学固化引发；

(4)固化型坯脱胶，将溶剂和胶体除去；

(5)烧结，得到目标形状的金属零部件。

优选地，所述方法还包括对烧结后的金属部件进行后续处理，所述后续处理包括热处理和/或热等静压，从而使所述烧结件获得满足部件使用要求的组织或性能。

优选地，所述金属料浆的粘度高于0.5Pa·s并低于1Pa·s，固相含量高于50vol.％。

优选地，所述金属料浆的制备方法包括水基胶液制备和金属料浆制备，

所述水基胶液制备包括：将62～74wt.％的第一单体与26～38wt.％的交联剂混合，在室温下搅拌均匀后加入第一单体和交联剂总量10～25wt.％的第一溶剂，制成胶液，所述第一单体选自丙烯酸、丙烯酰胺、甲基二丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯酮或其组合，所述交联剂选自N,N-二甲基二丙烯酰胺，所述第一溶剂选自水，优选去离子水；

所述金属料浆制备包括：根据金属粉末密度进行计算，将金属粉末加入所述水基胶液中，制成固相含量50vol.％以上的金属料浆，加入金属料浆重量的0.01wt.％～0.02wt.％的分散剂后，在室温下搅拌，并使用酸碱调节剂调节料浆酸碱度，所述金属粉末选自有色金属粉末、黑色金属粉末、合金粉末、颗粒增强金属基复合材料粉末或其组合，所述分散剂选自油酸，所述酸碱调节剂选自氨水、六次甲基四胺或其组合。

优选地，所述金属料浆的制备方法包括有机基胶液制备和金属料浆制备，

所述有机基胶液制备包括：将40～55wt.％的第二单体和45～60wt.％的第二溶剂混合，在室温下搅拌均匀后制成胶液，所述第二单体选自甲基丙烯酸羟乙酯，所述第二溶剂选自甲苯；

所述金属料浆制备包括：根据金属粉末密度进行计算，将金属粉末加入有机基胶液中，制成固相含量50vol.％以上的金属料浆，加入金属料浆重量的0.01wt.％～0.02wt.％的分散剂后，在室温下搅拌，所述金属粉末选自有色金属粉末、黑色金属粉末、合金粉末、颗粒增强金属基复合材料粉末或其组合，所述分散剂选自油酸。

优选地，所述化学固化引发时，所述的适合3D打印的金属料浆还包括催化剂，所述催化剂为料浆质量的0.1wt％～0.25wt％，所述催化剂选自N,N,N’,N’-四甲基乙二胺、N，N’-二甲基苯胺或其组合。

优选地，所述化学固化引发时的化学固化剂包括溶剂和引发剂，

当金属料浆为水基金属料浆时，所述溶剂选自第一溶剂，引发剂选自过硫酸铵；当金属料浆为有机基金属料浆时，所述的溶剂选自第二溶剂，引发剂选自过氧化苯甲酰。

优选地，所述热引发固化时，控制所述料浆3D打印喷头的加热装置将出料平面温度加热至70～100℃，所述料浆3D打印喷头的芯管出料口内的金属料浆由周围循环水冷却在20～30℃内，处于未固化状态，金属料浆出料后，由20～30℃升温至引发温度，使金属料浆原位固化成型。

优选地，所述化学引发固化时，将化学固化剂置于3D打印设备的化学固化剂压力储存与定量供料系统的料仓中，通过所述化学固化剂压力储存与定量供料系统将所述化学固化剂管道化输送至3D打印设备的料浆3D打印喷头的出料口处，在所述金属料浆挤出的同时，通过控制化学固化剂压力储存与定量供料系统送出化学固化剂，使金属料浆原位固化成型。

优选地，通过增加料浆压力储存与定量供料系统进行多种金属料浆的依次打印。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供一种用金属料浆3D打印型坯制备金属零部件的方法，解决以金属料浆作为原材料的无模复杂形状型坯成型问题，为粉末冶金方法快速制备复杂形状零件提供新途径。

(2)本发明提供的3D冷打印的固化原理实际是金属粉末在三维凝胶网络中原位固化成型，它的原理对所使用的原料粉末成分，特别是颗粒形状无要求，适用范围广，除纯金属和合金外还可应用于多种金属复合材料的多层、多区域复合。

(3)3D冷打印技术无需使用激光，不用将金属材料加热到熔化温度，直接在室温或低温(<100℃)下成型，技术稳定，可操作性强。

(4)利用3D冷打印技术直接制备复杂形状金属零件型坯，能够最大限度节省原材料，且打印出的制品无需或仅需少量后期加工，可满足各领域金属零部件的制备要求。

附图说明

图1是本发明实施例所使用的3D打印设备的示意图；

图2是图1中所示的3D打印设备所使用的喷头的截面图。

其中，附图标记说明如下：

1、2、3、4：压力表

5、6、7、8：气阀

9、10、11：金属料浆料仓

12：化学固化剂料仓

13、14、15：金属料浆分料管

16：化学固化剂分料管

17、18、19、20：节流阀

21：金属料浆主料管

22：喷头

23：加热装置

24：打印平台

25：循环冷却管道

26：金属料浆芯管出料口

27：化学固化剂出料口

具体实施方式

通过3D打印技术的启发和长期相关研究，本发明提出了利用金属料浆直接用3D打印复杂形状金属型坯的成型方法，为实现复杂形状金属型坯的快速、无模成型提供了一种新的方法。

本发明的目的在于提供一种3D打印零部件的方法，该方法采用一种3D打印设备。在一个实施例中，所述设备包括3D打印机主体，具有打印室和位于所述打印室内的打印平台；料浆压力储存与定量供料系统，用于储存金属料浆，并能在气体压力下供应所述金属料浆；料浆3D打印喷头，其与所述料浆压力储存与定量供料系统相连通，将输送来的金属料浆喷射到所述打印平台上；化学固化剂压力储存与定量供料系统，其与所述料浆3D打印喷头相连通，用于储存化学固化剂，并能将所述化学固化剂经所述料浆3D打印喷头喷入所述金属料浆中，使喷出的金属料浆迅速固化；热引发系统，用于加热喷出的金属料浆以迅速固化。

参照图1和图2，在一个实施例中，料浆压力储存与定量供料系统包括料仓9、金属料浆分料管13、金属料浆主料管21，料仓9上设有观察压力大小的压力表1及通气加压的气阀5，分料管13上设有控制料浆流量及出料速度的节流阀17。

料浆3D打印喷头包括：芯管出料口26及至少一个化学固化剂出料口27，作为优选方案，还包括循环冷却系统25。芯管出料口26与主料管21相连通，用于金属料浆送料；化学固化剂出料口27环绕芯管出料口26周围设置，个数可以是2至8个，化学固化剂出料口27与化学固化剂压力储存与定量供料系统相连通，用于料浆打印挤出后在打印点周围快速送出化学固化剂，使打印料浆快速固化，防止坯体产生变形；芯管出料口26外部的循环冷却系统25，可以是循环水系统，用于热引发时对打印前的料浆进行冷却，防止料浆打印前受到喷头22外部加热装置23(如：电阻丝)影响产生固化。

化学固化剂压力储存与定量供料系统包括：化学固化剂料仓12、化学固化剂分料管16，料仓12上设有观察压力大小的压力表4及通气加压的气阀8，分料管16上设有控制料浆流量及出料速度的节流阀20，化学固化剂分料管16与料浆3D打印喷头中的化学固化剂出料口27相连通。

热引发系统包括：位于喷头22两侧的加热装置23，在一个实施例中，该加热装置23为加热电阻丝。

本发明的3D打印零部件的方法包括以下步骤：

(1)制备金属料浆。

适合3D打印的金属料浆的制备过程包括：胶液制备和金属料浆制备。

制备适合3D打印的金属料浆，需要解决固液相容性(物理、化学互容)、流动性、固相含量及固化时间四大问题。经实践，采用下列两种(水基及有机基)凝胶体系胶液可以制备出符合条件的金属料浆，其制备过程分为胶液制备和金属料浆制备两部分。

使用两种胶液(水基及有机基凝胶体系)制备低粘度、高固相含量金属料浆作为3D冷打印原料，要求料浆粘度高于0.5Pa·s，低于1Pa·s，固相含量高于50vol.％。金属料浆应满足压力存储、压力输送，及快速固化等3D打印设备的使用性能要求。

胶液制备：

水基胶液成分及制备过程：将62～74wt.％第一单体与26～38wt.％的交联剂混合，在室温下搅拌均匀后加入第一单体和交联剂总量10～25wt.％的第一溶剂，制成胶液。第一单体选自丙烯酸、丙烯酰胺(AM)、甲基二丙烯酰胺(MAM)或N-乙烯基吡咯酮(MAM-NVP)或其组合，交联剂选自N,N-二甲基二丙烯酰胺(MBAM)，第一溶剂选自水，优选去离子水。

有机基胶液成分及制备过程：将40～55wt.％的第二单体和45～60wt.％的第二溶剂混合，在室温下搅拌均匀后制成胶液。第二单体选自甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)，第二溶剂选自甲苯。

金属料浆制备：

水基金属料浆成分及制备过程：本实施例中，根据金属粉末密度进行计算，将粒度范围5～110μm的金属粉末加入胶液中，金属粉末选自所有常用的有色金属粉末、黑色金属粉末、合金粉末、颗粒增强金属基复合材料粉末或其组合，制成固相含量50vol.％以上的金属料浆，加入金属料浆重量的0.01wt.％～0.02wt.％的分散剂后在室温下充分搅拌，分散剂选自油酸，将料浆粘度调节在0.5～1Pa·s之间，使金属粉末良好地分散在料浆中，使料浆在固相含量较高的前提下保持较好的流动性，并防止粉末成团或沉淀，最后使用酸碱调节剂调节料浆酸碱度，通过调整电位确保固化反应的准确发生，酸碱调节剂选自氨水、六次甲基四胺或其组合。

有机基金属料浆成分及制备过程：将粒度范围5～110μm的金属粉末加入胶液中，金属粉末选自所有常用的有色金属粉末、黑色金属粉末、合金粉末、颗粒增强金属基复合材料粉末或其组合，制成固相含量50vol.％以上的金属料浆，加入含量0.01wt.％～0.02wt.％的分散剂后在室温下充分搅拌，分散剂选自油酸，将料浆粘度调节在0.5～1Pa·s之间，使金属粉末良好地分散在料浆中，使料浆在固相含量较高的前提下保持较好的流动性，并防止粉末成团或沉淀。

当采用化学引发固化时，水基金属料浆和有机基金属料浆可进一步加入料浆质量0.1wt％～0.25wt％的催化剂，催化剂选自N,N,N’,N’-四甲基乙二胺、N，N’-二甲基苯胺或其组合。

金属料浆制备完成后，可进一步采用真空负压、加压或震动除气的方法使内部气泡消除，防止型坯产生宏观孔洞。

以上完成了两种金属料浆的制备，且适用于所有常用的有色、黑色金属及合金粉末，及各种颗粒增强金属基复合材料粉末的料浆制备过程。

当采用化学引发固化时，需要制备化学固化剂，优选地，所述化学固化剂包括溶剂和引发剂。

化学固化剂的成分与制备过程包括：将料浆质量0.1wt％～0.3wt％的引发剂和0.1～0.3wt％的溶剂在室温下充分搅拌配制成化学固化剂。当金属料浆为水基金属料浆时，引发剂选自过硫酸铵，溶剂选自第一溶剂；当金属料浆为有机基金属料浆时，引发剂选自过氧化苯甲酰，溶剂选自第二溶剂。经实践，在此成分及配比下，可以快速引发金属粉末原位固化成型，固化时间为0.5～1s。

化学固化剂制备完成后，可进一步采用真空负压、加压或震动除气的方法使内部气泡消除，防止型坯产生宏观孔洞。

(2)型坯模型参数设计，获得型坯的每层截面x-y轴坐标的扫描路径信息，并输入3D打印设备。

将所制型坯的三维模型导入分析软件，通过固相含量及材料特性计算烧结收缩比，对模型进行相应比例缩放，将模型切片分层处理，得到每层截面x-y轴坐标的扫描路径信息，输入3D打印机。

(3)3D打印整体固化型坯，包括以下步骤：将金属料浆置于3D打印设备的料浆压力储存与定量供料系统的料仓9中；通过所述料浆压力储存与定量供料系统将所述金属料浆管道化输送至3D打印设备的料浆3D打印喷头处；按照每层扫描路径，控制料浆3D打印喷头使金属料浆挤出并在3D打印设备的打印平台上进行微区三维堆筑，在堆筑的同时，进行热引发固化和/或化学固化引发。

在一个实施例中，利用改进后的喷头(如图2所示)按照每层扫描路径进行微区三维堆筑，同时进行快速引发固化(包括热引发和/或化学引发)，在打印后0.5～1s内固化。通过逐层进行微区三维堆筑及快速固化，最终完成复杂形状零部件坯体的整体成型过程。通过送料系统的增加，此过程还可适用于多层、单层多区域的金属基复合材料零部件的制备。

(4)固化型坯脱胶，将溶剂和胶体除去。

将零件型坯在80～150℃下真空干燥4～12小时将溶剂脱除，可得干燥后的多孔金属型坯。然后在真空或保护气氛下，将零件型坯在400℃～600℃保温1～4小时将除溶剂以外的胶体脱除。

(5)烧结，得到目标形状的金属零部件。

在所用金属材料的最佳烧结工艺下烧结，得到致密度大于95％的金属部件，完成本发明的制备工艺。

在一个实施例中，对烧结后的金属部件进行后续处理，根据产品类型进行烧结后的热处理和/或热等静压等操作，使零部件性能或组织满足其应用要求。

具体地，金属料浆的输送及3D打印、固化过程，如图1和图2，包括：

(1)金属料浆送料

送料方式：

将金属料浆放入料仓9中，对料浆加压，压力促使料浆沿分料管13到达主料管21，最终输送到喷头22处。本实施例中，喷头22包括：处于中心的芯管出料口26，其出口直径可以为0.25mm，芯管出料口26与主料管21相连通，用于金属料浆送料；芯管出料口26外部的循环冷却系统25，可以是循环水系统，用于热引发时对打印前的料浆进行冷却，防止料浆打印前受到喷头22外部加热装置23影响产生固化；循环冷却冷却管道25的下部、芯管出料口26周围有至少一个化学固化剂出料口27，化学固化剂出料口27可以环绕芯管出料口26周围设置，个数可以是2至8个，纵截面直径可以为2mm，化学固化剂出料口27与化学固化剂压力储存与定量供料系统相连通，用于料浆打印挤出后在打印点周围快速送出化学固化剂，使打印料浆快速固化，防止坯体产生变形。作为优选方案，芯管出料口26和化学固化剂出料口27的末端平齐。喷头22的材质、芯管出料口26的尺寸、化学固化剂出料口27的尺寸和个数等并不限于此。

流量控制：

通过气阀5通气加压，根据压力表1数值观察压力大小，通过调节气阀5及节流阀17控制料浆流量及出料速度，本实施例中，将打印精度即层厚控制为0.1～0.3mm。

(2)金属料浆的3D打印及固化

金属料浆的3D打印：

本实施中，3D冷打印开始，控制喷头22距离打印平台24低于0.4mm时开始出料，通过喷头的芯管出料口26使定量的金属料浆挤出并堆筑到打印平台24的微小区域，在0.5～1s后料浆被引发产生快速交联反应，使料浆原位固化成型。喷头22在3D打印机的操控下，根据每层的扫描路线移动，逐层打印后形成所需复杂形状的金属固化型坯。在三维微区堆筑的过程中，金属料浆的快速固化方式包括两种，即热引发和化学引发，具体操作方式如下所述。

金属料浆的热引发固化：

在一个实施例中，热引发时，位于喷头22两侧的加热装置23(例如：数控加热电阻丝)将出料平面温度加热到70～100℃，芯管内料浆由周围循环水21冷却，温度保持在室温(20～30℃)，处于未固化状态，料浆出料后由室温立即升温到引发反应发生温度，使金属料浆在0.5～1s后原位固化成型。

金属料浆的化学引发固化：

在一个实施例中，化学引发时，将化学固化剂放入化学固化剂料仓12中，通过气阀8加压促使料浆沿化学固化剂分料管16到达喷头22的化学固化剂出料口27处，为防止液态料浆流动产生变形，在芯管出料口26出料后立刻出料，均匀地在打印点周围快速送出化学固化剂，通过节流阀20控制流量，料浆中单体连接形成三维凝胶网络，使金属粉末在0.5～1s后原位固化成型，通过压力表4观察压力大小，控制固化剂供给速度与金属料浆出料速度相匹配。

作为优选方案，多层、单层多区域的金属基复合材料零部件的制备方法包括：通过增加料浆压力储存与定量供料系统，即多增加几个压力表2及3、气阀6及7、料仓10及11、分料管14及15和节流阀18及19来实现单层分区打印，打印时，通过对每一层进行分区，进行多种金属料浆的依次打印。

实施实例1：利用3D冷打印技术制备硬质合金立铣刀

1.硬质合金料浆的制备

将45wt.％的甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)和55wt.％的甲苯两种液体在室温下搅拌均匀，制成胶液。

将粒度为5μm的硬质合金粉末加入有机胶液中，充分搅拌制成固相含量50vol.％的金属料浆，加入料浆质量0.01wt.％油酸作为分散剂，加入料浆质量0.2wt％的N,N’-二甲基苯胺作为催化剂，使料浆粘度为1Pa·s，金属料浆制备完成。

将料浆质量0.1wt％的作为引发剂的过氧化苯甲酰(BPO)和料浆质量0.2wt.％的甲苯，在室温下搅拌均匀，作为化学固化剂备用。

通过真空负压除气除去3D冷打印金属料浆和化学固化剂中的气泡。

2.3D冷打印硬质合金立铣刀型坯

根据硬质合金的收缩比和固相含量综合考虑，按立铣刀实际比例的1.9倍将模型放大，利用三维切片软件分析立铣刀模型每层的扫描和打印路径，得到喷头的移动路线参数。

将金属料浆放入料浆料仓，化学固化剂放入固化剂料仓，在控制压力流量的情况下，加压使它们分别通过送料管输送到喷头的芯管出料口和固化剂出料口处。

根据扫描路线控制喷头移动喂料，首先是金属料浆从芯管出料口出料，然后控制固化剂从环形出料口出料，固化剂渗入料浆周围后引发交联反应，0.5s后料浆完全固化，通过调节料浆压力流量大小，可控制打印层厚为0.1～0.3mm，逐层固化完全后形成完整的三维硬质合金立铣刀型坯。

3.脱胶和烧结

将立铣刀型坯在150℃下真空干燥4小时，使型坯中的甲苯挥发。然后在真空或氢气环境下，将零件型坯在400℃保温1小时，将残余在坯体内的有机聚合物胶体脱除。

在真空或氢气环境下将硬质合金立铣刀型坯在1400℃下烧结1小时，最终得到致密度大于95％的硬质合金立铣刀零件，经热等静压后得到致密度大于99.98％的硬质合金立铣刀零件，满足其应用要求。

实施实例2：利用3D冷打印技术制备不锈钢椭球体零件

1.不锈钢料浆的制备

在62wt.％丙烯酸中加入38wt.％的N,N-二甲基二丙烯酰胺(MBAM)混合，再加入丙烯酸与MBAM总质量25wt.％的去离子水，在室温下充分搅拌均匀，配制成胶液。

将粒度为110μm的不锈钢粉加入胶液中，制成固相含量60vol.％的金属料浆，加入料浆质量0.02wt.％油酸作为分散剂，使料浆粘度为0.8Pa·s，加入六次甲基四胺(HMTA)调节PH至4，在室温下充分搅拌，经过加压除气后，不锈钢料浆制备完成。

2.3D冷打印不锈钢椭球体型坯

根据不锈钢的收缩比和固相含量综合考虑，按椭球体零件实际比例的1.6倍将模型放大，利用三维切片软件分析椭球体零件模型每层的扫描和打印路径，得到喷头移动路线。

将金属料浆放入料浆料仓，在严格控制压力流量的情况下，加压使其通过送料管输送到喷头的芯管出料口处，控制电阻丝升温到80℃。

根据扫描路线控制喷头移动喂料，金属料浆从芯管出料口出料后1s被温度引发产生交联反应，逐层固化完全后形成完整的三维不锈钢椭球体零件型坯。

3.脱胶和烧结

将椭球体零件型坯在80℃下真空干燥6小时，使型坯中的去离子水挥发。然后在真空环境下，将椭球体零件型坯在500℃保温4小时，将残余在坯体内的有机聚合物胶体脱除。

在真空下，将椭球体零件型坯在1300℃下烧结2小时，最终得到致密度97％的不锈钢椭球体零件，满足其应用要求。

实施实例3：利用3D冷打印技术制备Fe-Ni(WC)双层圆筒复合材料零件

Fe-Ni(WC)双层圆筒复合材料零件芯部为铁基合金，表层为添加碳化钨的镍基合金，通过宏观复合实现铁基零部件耐磨性的增强。

1.铁基、镍基合金料浆的制备

将74wt.％的丙烯酰胺(AM)和26wt.％的N,N-二甲基二丙烯酰胺(MBAM)混合均匀，加入丙烯酰胺和N,N-二甲基二丙烯酰胺总的质量浓度为10wt.％的去离子水，配制成胶液，将粒度为35μm的雾化铁粉加入胶液中，在室温下充分搅拌制成固相含量55vol.％的铁基合金料浆，加入料浆质量0.01wt.％油酸作为分散剂，加入料浆质量0.25wt％的作为催化剂的N,N,N’,N’-四甲基乙二胺(TEMED)，使料浆粘度为0.7Pa·s，加入氨水调节PH至10。

将69wt.％甲基二丙烯酰胺(MAM)和31wt.％的N,N-二甲基二丙烯酰胺(MBAM)混合均匀，加入甲基二丙烯酰胺和N,N-二甲基二丙烯酰胺总的质量浓度为16wt.％的去离子水，配制成胶液，将粒度为50μm的镍基合金粉末加入胶液中，在室温下充分搅拌制成固相含量58vol.％的料浆，加入料浆质量0.02wt.％油酸作为分散剂，加入料浆质量0.25wt％的作为催化剂的N,N,N’,N’-四甲基乙二胺(TEMED)，使料浆粘度为0.7Pa·s，加入氨水调节PH至10。

将料浆质量0.3wt.％的去离子水和0.1wt％的作为引发剂的过硫酸铵(APS)混合，作为化学固化剂备用。

将铁基、镍基合金料浆震动除气，完成3D冷打印料浆制备。

2.3D冷打印Fe-Ni(WC)双层圆筒复合材料零件型坯

根据铁基和镍基合金的收缩比和固相含量综合考虑，按实际零件比例的1.4倍将模型放大，利用三维切片软件分析双层圆筒零件模型每层的扫描和打印路径，得到喷头移动路线。

将铁基、镍基合金料浆分别放入两个料浆料仓，化学固化剂放入固化剂料仓，在严格控制压力流量的情况下，加压使其通过送料管输送到喷头的芯管出料口和环形固化剂出料口处。

对每一层的铁基、镍基合金区域进行分区及计算，按区域依次进行喂料及固化，在铁基合金区域固化完成后，关闭铁基合金料浆节流阀及气阀，打开镍基合金料浆节流阀及气阀，开始镍基合金区域的打印及固化。由于铁、镍之间相容性较好，残留在送料管内部的少量铁基料浆和镍基料浆形成混合液，打印后成为中间过渡层，并不会对零件性能产生影响。逐层分区固化完全后形成完整的三维Fe-Ni(WC)双层圆筒复合材料零件型坯。

3.脱胶和烧结

将Fe-Ni(WC)双层圆筒复合材料零件型坯在80℃下真空干燥12小时，使型坯中的去离子水挥发。在真空环境下，将零件型坯在600℃保温2小时，将残余在坯体内的有机聚合物胶体脱除。

在真空下，将零件型坯在1100℃下烧结2小时，最终得到致密度98％的Fe-Ni(WC)双层圆筒复合材料零件。外层添加碳化钨的镍基合金通过复合实现铁基圆筒零件耐磨性的增强，满足其应用要求。

Claims (10)

1.一种3D打印零部件的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备金属料浆；

(2)型坯模型参数设计，获得型坯的每层截面x-y轴坐标的扫描路径信息，并输入3D打印设备；

(3)3D打印整体固化型坯，包括：将金属料浆置于3D打印设备的料浆压力储存与定量供料系统的料仓中；通过所述料浆压力储存与定量供料系统将所述金属料浆管道化输送至3D打印设备的料浆3D打印喷头处；按照每层扫描路径，控制料浆3D打印喷头使金属料浆挤出并在3D打印设备的打印平台上进行微区三维堆筑，在堆筑的同时，进行热引发固化和/或化学固化引发；

(4)固化型坯脱胶，将溶剂和胶体除去；

(5)烧结，得到目标形状的金属零部件。

2.根据权利要求1所述的3D打印零部件的方法，其特征在于，所述方法还包括对烧结后的金属部件进行后续处理，所述后续处理包括热处理和/或热等静压。

3.根据权利要求1所述的3D打印零部件的方法，其特征在于，所述金属料浆的粘度高于0.5Pa·s并低于1Pa·s，固相含量高于50vol.％。

4.根据权利要求1所述的3D打印零部件的方法，其特征在于，所述金属料浆的制备方法包括水基胶液制备和金属料浆制备，

所述水基胶液制备包括：将62～74wt.％的第一单体与26～38wt.％的交联剂混合，在室温下搅拌均匀后加入第一单体和交联剂总量10～25wt.％的第一溶剂，制成胶液，所述第一单体选自丙烯酸、丙烯酰胺、甲基二丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯酮或其组合，所述交联剂选自N,N-二甲基二丙烯酰胺，所述第一溶剂选自水；

所述金属料浆制备包括：根据金属粉末密度进行计算，将金属粉末加入所述水基胶液中，制成固相含量50vol.％以上的金属料浆，加入金属料浆重量的0.01wt.％～0.02wt.％的分散剂后，在室温下搅拌，并使用酸碱调节剂调节料浆酸碱度，所述金属粉末选自有色金属粉末、黑色金属粉末、合金粉末、颗粒增强金属基复合材料粉末或其组合，所述分散剂选自油酸，所述酸碱调节剂选自氨水、六次甲基四胺或其组合。

5.根据权利要求1所述的3D打印零部件的方法，其特征在于，所述金属料浆的制备方法包括有机基胶液制备和金属料浆制备，

所述有机基胶液制备包括：将40～55wt.％的第二单体和45～60wt.％的第二溶剂混合，在室温下搅拌均匀后制成胶液，所述第二单体选自甲基丙烯酸羟乙酯，所述第二溶剂选自甲苯；

所述金属料浆制备包括：根据金属粉末密度进行计算，将金属粉末加入所述有机基胶液中，制成固相含量50vol.％以上的金属料浆，加入金属料浆重量的0.01wt.％～0.02wt.％的分散剂后，在室温下搅拌，所述金属粉末选自有色金属粉末、黑色金属粉末、合金粉末、颗粒增强金属基复合材料粉末或其组合，所述分散剂选自油酸。

6.根据权利要求4或5所述的3D打印零部件的方法，其特征在于，所述化学固化引发时，所述3D打印的金属料浆还包括催化剂，所述催化剂为料浆质量的0.1wt％～0.25wt％，所述催化剂选自N,N,N’,N’-四甲基乙二胺、N，N’-二甲基苯胺或其组合。

7.根据权利要求6所述的3D打印零部件的方法，其特征在于，所述化学固化引发时的化学固化剂包括溶剂和引发剂，

当金属料浆为水基金属料浆时，所述溶剂选自第一溶剂，引发剂选自过硫酸铵；当金属料浆为有机基金属料浆时，所述溶剂选自第二溶剂，引发剂选自过氧化苯甲酰。

8.根据权利要求1所述的3D打印零部件的方法，其特征在于，所述热引发固化时，控制所述料浆3D打印喷头的加热装置将出料平面温度加热至70～100℃，所述料浆3D打印喷头的芯管出料口内的金属料浆由周围循环水冷却在20～30℃内，处于未固化状态，金属料浆出料后，由20～30℃升温至引发温度，使金属料浆原位固化成型。

9.根据权利要求1所述的3D打印零部件的方法，其特征在于，所述化学引发固化时，将化学固化剂置于3D打印设备的化学固化剂压力储存与定量供料系统的料仓中，通过所述化学固化剂压力储存与定量供料系统将所述化学固化剂管道化输送至3D打印设备的料浆3D打印喷头的出料口处，在所述金属料浆挤出的同时，通过控制化学固化剂压力储存与定量供料系统送出化学固化剂，使金属料浆原位固化成型。

10.根据权利要求1所述的3D打印零部件的方法，其特征在于，通过增加料浆压力储存与定量供料系统进行多种金属料浆的依次打印。