CN105108134A - 一种用于3d打印的膏状金属复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于3D打印的膏状金属复合材料，其特征是：含有金属粉末和硅酮，按重量份计由如下原料组成：金属粉末80-90份，硅酮5-10份，增粘剂1-3份，分散剂1-2份，固化催化剂0.1-0.5份；利用硅酮的粘接固化特性，用于金属粉末中，并通过增粘剂将金属粉末调节为一种膏状复合材料，该膏状金属复合材料具有良好的流动性和固化性，用于3D打印时，可在常温下快速挤压堆积成型，从而克服了金属3D打印以粉末形式逐层来构建对象速度慢的缺陷。成型的制品在240-300℃左右条件下处理，能全部分解粘接材料，含有的锡熔融粘接，从而有效防止制品的形变。

Description

一种用于3D打印的膏状金属复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于3D打印制造领域，具体涉及3D打印金属材料，进一步涉及用于3D打印的膏状金属复合材料及其制备方法。

背景技术

增材制造技术（AdditiveManufacturing），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。

由于3D打印是逐点堆积成型，因此具有熔融粘接的高分子有ABS、聚乳酸、尼龙得到了较好的应用。而金属用于3D打印时存在较大的困难，由于金属熔融温度高，熔融后流淌性严重，因此难以直接熔融堆积成型。为此金属粉末成为3D打印金属制品的主要选择。通常将金属粉处理成为球度高、粒径均匀细小的微球，在金属球表面涂覆粘接剂，从而通过选择性激光烧结成型得到金属制品。

中国发明专利申请号200510020015.5公开了一种激光烧结快速成形材料的制备方法，该方法将粘结剂酚醛树脂与金属或合金粉末与粉碎混合，通过粘结剂实现金属零件的选择性激光烧结快速制造。

中国发明专利申请号201310605634.5公开了一种低功率激光烧结法金属3D打印产品生产方法，采用金属粉末材料加热塑性成型粘接剂的方法，制备出低融点的3D金属打印原材料混合料，由于金属粉末颗粒表面形成薄层热塑性粘结剂，通过低功率选择性激光烧结或电子束烧结法3D打印机，金属粉末材料经过表层热塑性粘结剂低温融化—冷却粘结固化过程，层层堆积成型。

中国发明专利申请号201410028642.2公开了一种3D打印机用的金属粉末。通过将金属粉末的粒径降至亚微米级，使熔点低和熔融速度快，可以提高金属3D打印机的打印速度以及打印构件的精度。

中国发明专利CN103862040A公开了一种用于3D打印的镁基金属粉末材料，以包裹有松香包膜的镁粉为基本材料，以包裹有松香薄膜的镍粉为支撑材料，以铝粉为中间材料，通过混合搅拌而成。为了得到高强度的合金器件，采用了多种金属共混的方法。

中国发明专利CN103801704A公开了一种用于3D打印的铜粉，采用氩气保护炉熔炼TU0无氧铜至1250～1400℃，通过炉底吹氩来去除熔融铜液内的夹杂，使铜液完全熔化并温度均匀。通过漏包坩埚和导流嘴流经气雾化喷嘴，形成小液滴，得到的铜粉球形较好，但粒径较大，因此在用于3D打印制造时熔融温度高，难以控制。

上述均是基于金属粉的3D打印。其过程如同打印机的打印过程，通过将粉料逐点打印成层，然后逐层叠加成三维实体，不但打印速度慢，而且为了得到精确的输送，对金属粉的粘接性、球形、粒径要求极高。目前已有的金属粉末雾化法、旋转电极法尽管使金属粉的球度、粒径分布性能得到提升，但当金属粉末粒径达到亚微米级时，金属粉末的分散性变差，导致金属粉末输送困难，从而导致打印速度慢、精度差。

发明内容

目前的金属3D打印技术都是以粉末形式逐层来构建对象的，由于金属粉末球度、粒径的影响，以及金属粉逐点打印的因素，导致速度慢，作为粘接剂的树脂在打印尚未完成时就已改变化学性质，从而影响打印效率和打印精度。针对这一缺陷，本发明提出一种用于3D打印的膏状金属复合材料。该膏状金属复合材料具有良好的流动性和快速固化性，用于3D打印时，可在常温下快速挤压堆积成型，从而克服了金属3D打印以粉末形式逐层来构建对象速度慢的缺陷，可快速打印精密金属制品。进一步提供该膏状金属复合材料的制备方法。

一种用于3D打印的膏状金属复合材料，是通过如下技术方案实现的：

一种用于3D打印的膏状金属复合材料，其特征是：含有金属粉末和硅酮，按重量份计由如下原料组成：

金属粉末80-90份，

硅酮5-10份，

增粘剂1-3份，

分散剂1-2份，

固化催化剂0.1-0.5份，

其中，所述的金属粉末为金属锡粉与金属铜粉、金属铝粉、金属铁粉、不锈钢粉、金属镍粉、金属钛粉、金属锌粉中的至少一种以重量比1-3:10复配而成，金属粉末的粒径为过50目筛；

所述的硅酮为羟基硅酮、甲基硅酮中的至少一种；

所述的增粘剂为分子量在2-5万的中分子量聚丁烯；

所述的分散剂为十二烷基硫酸钠、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠、聚丙烯酰胺、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯中的至少一种；

所述的固化催化剂为二丁基二月桂酸锡。

一种用于3D打印的膏状金属复合材料的制备方法，其特征是按照如下制备方法进行：

1）将80-90重量份的金属粉末与1-2重量份的分散剂在高速分散机中分散均匀，备用；

2）将步骤1）分散处理的金属粉末与5-10重量份的硅酮、1-3重量份的增粘剂加入密闭搅拌釜，设定搅拌釜温度为60-65℃，通过200-400rpm的转速混合20-30min，得到金属粉与硅酮为主要组分的膏状体；

3）将0.1-0.5重量份的固化催化剂加入步骤2）得到的金属粉与硅酮为主要组分的膏状体，开启密闭搅拌釜的真空，真空压力0.1-0.3MPa，并以50-100rpm的转速混合，固化催化剂完全分散在金属粉与硅酮为主要组分的膏状体中；

4）将步骤3）密闭搅拌釜得到的物料排料，并封闭保存，即为一种用于3D打印的膏状金属复合材料。

本发明一种用于3D打印的膏状金属复合材料，利用硅酮的粘接固化特性，用于金属粉末中，并通过增粘剂将金属粉末调节为一种膏状复合材料，该膏状金属复合材料具有良好的流动性和固化性，用于3D打印时，可在常温下快速挤压堆积成型，从而克服了金属3D打印以粉末形式逐层来构建对象速度慢的缺陷。成型的制品在240-300℃左右条件下处理，能全部分解粘接材料，含有的锡熔融粘接，从而有效防止制品的形变。

本发明一种用于3D打印的膏状金属复合材料及其制备方法，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3D打印的膏状金属复合材料，将金属粉末变为膏状体，用于3D打印可在常温下快速挤压堆积成型，从而有效避免以粉末形式逐层来构建对象速度慢的缺陷，实现了快速打印。

2、本发明一种用于3D打印的膏状金属复合材料，在用于3D打印时，成型的制品在240-300℃左右条件下处理，能全部分解粘接材料，而含有的锡熔融粘接，从而有效防止制品的形变。

3、本发明一种用于3D打印的膏状金属复合材料，有效防止金属粉末存储、打印产生的粉尘。

4、本发明一种用于3D打印的膏状金属复合材料的制备方法，具有工艺简短、易于控制的特点，适合于规模化生产。

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）将金属锡粉与金属铜粉以重量比1:5复配而成的金属粉80重量份与1重量份的分散剂十二烷基硫酸钠在高速分散机中分散均匀，备用；

2）将步骤1）分散处理的金属粉末与5重量份的羟基硅酮、2重量份的中分子量聚丁烯加入密闭搅拌釜，设定搅拌釜温度为60-65℃，通过200rpm的转速混合20min，得到金属粉与硅酮为主要组分的膏状体；

3）将0.2重量份的固化催化剂二丁基二月桂酸锡加入步骤2）得到的金属粉与硅酮为主要组分的膏状体，开启密闭搅拌釜的真空，真空压力0.1MPa，并以50rpm的转速混合，固化催化剂完全分散在金属粉与硅酮为主要组分的膏状体中；

4）将步骤3）密闭搅拌釜得到的物料排料，并封闭保存，即为一种用于3D打印的膏状金属复合材料。

将实施例1得到的膏状金属复合材料童工3D打印设备在常温下挤压堆积成型,膏状金属复合材料像挤牙膏一样从喷头挤出，堆积在成型面上成型，快速凝固形成高精密模型,该模型通过在300℃温度下热处理15min,粘接材料分解，含有的锡熔融粘接，形成完全由金属组成的精密模型。

实施例2

1）将金属锡粉与金属铝粉以重量比1:10复配而成的金属粉85重量份与2重量份的分散剂三聚磷酸钠在高速分散机中分散均匀，备用；

2）将步骤1）分散处理的金属粉末与8重量份的甲基硅酮、2重量份的增粘剂中分子量聚丁烯加入密闭搅拌釜，设定搅拌釜温度为60-65℃，通过300rpm的转速混合25min，得到金属粉与硅酮为主要组分的膏状体；

3）将0.3重量份的固化催化剂二丁基二月桂酸锡加入步骤2）得到的金属粉与硅酮为主要组分的膏状体，开启密闭搅拌釜的真空，真空压力0.1MPa，并以80rpm的转速混合，固化催化剂完全分散在金属粉与硅酮为主要组分的膏状体中；

4）将步骤3）密闭搅拌釜得到的物料排料，并封闭保存，即为一种用于3D打印的膏状金属复合材料。

实施例3

1）将金属锡粉与金属铁粉以重量比1:8复配而成的金属粉90重量份与1重量份的分散剂焦磷酸钠在高速分散机中分散均匀，备用；

2）将步骤1）分散处理的金属粉末与10重量份的羟基硅酮、3重量份的增粘剂中分子量聚丁烯加入密闭搅拌釜，设定搅拌釜温度为60-65℃，通过400rpm的转速混合30min，得到金属粉与硅酮为主要组分的膏状体；

3）将0.4重量份的固化催化剂二丁基二月桂酸锡加入步骤2）得到的金属粉与硅酮为主要组分的膏状体，开启密闭搅拌釜的真空，真空压力0.3MPa，并以100rpm的转速混合，固化催化剂完全分散在金属粉与硅酮为主要组分的膏状体中；

4）将步骤3）密闭搅拌釜得到的物料排料，并封闭保存，即为一种用于3D打印的膏状金属复合材料。

实施例4

1）将金属锡粉与金属镍粉以重量比1:5复配而成的金属粉90重量份属粉末与1重量份的分散剂聚丙烯酰胺在高速分散机中分散均匀，备用；

2）将步骤1）分散处理的金属粉末与6重量份的甲基硅酮、1重量份的增粘剂中分子量聚丁烯加入密闭搅拌釜，设定搅拌釜温度为60-65℃，通过200rpm的转速混合20min，得到金属粉与硅酮为主要组分的膏状体；

3）将0.5重量份的固化催化剂二丁基二月桂酸锡加入步骤2）得到的金属粉与硅酮为主要组分的膏状体，开启密闭搅拌釜的真空，真空压力0.1MPa，并以50rpm的转速混合，固化催化剂完全分散在金属粉与硅酮为主要组分的膏状体中；

4）将步骤3）密闭搅拌釜得到的物料排料，并封闭保存，即为一种用于3D打印的膏状金属复合材料。

实施例5

1）将金属锡粉与金属锌、不锈钢粉以重量比1:3:5复配而成的金属粉80重量份与2重量份的分散剂古尔胶在高速分散机中分散均匀，备用；

2）将步骤1）分散处理的金属粉末与10重量份的甲基硅酮、3重量份的增粘剂中分子量聚丁烯加入密闭搅拌釜，设定搅拌釜温度为60-65℃，通过350rpm的转速混合30min，得到金属粉与硅酮为主要组分的膏状体；

3）将0.3重量份的固化催化剂二丁基二月桂酸锡加入步骤2）得到的金属粉与硅酮为主要组分的膏状体，开启密闭搅拌釜的真空，真空压力0.3MPa，并以100rpm的转速混合，固化催化剂完全分散在金属粉与硅酮为主要组分的膏状体中；

4）将步骤3）密闭搅拌釜得到的物料排料，并封闭保存，即为一种用于3D打印的膏状金属复合材料。

Claims (2)

1.一种用于3D打印的膏状金属复合材料，其特征是：含有金属粉末和硅酮，按重量份计由如下原料组成：

金属粉末80-90份，

硅酮5-10份，

增粘剂1-3份，

分散剂1-2份，

固化催化剂0.1-0.5份，

其中，所述的金属粉末为金属锡粉与金属铜粉、金属铝粉、金属铁粉、不锈钢粉、金属镍粉、金属钛粉、金属锌粉中的至少一种以重量比1-3:10复配而成，金属粉末的粒径为过50目筛；

所述的硅酮为羟基硅酮、甲基硅酮中的至少一种；

所述的增粘剂为分子量在2-5万的中分子量聚丁烯；

所述的分散剂为十二烷基硫酸钠、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠、聚丙烯酰胺、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯中的至少一种；

所述的固化催化剂为二丁基二月桂酸锡。

2.一种制备权利要求1所述用于3D打印的膏状金属复合材料的方法，其特征是按照如下制备方法进行：

1）将80-90重量份的金属粉末与1-2重量份的分散剂在高速分散机中分散均匀，备用；

2）将步骤1）分散处理的金属粉末与5-10重量份的硅酮、1-3重量份的增粘剂加入密闭搅拌釜，设定搅拌釜温度为60-65℃，通过200-400rpm的转速混合20-30min，得到金属粉与硅酮为主要组分的膏状体；

3）将0.1-0.5重量份的固化催化剂加入步骤2）得到的金属粉与硅酮为主要组分的膏状体，开启密闭搅拌釜的真空，真空压力0.1-0.3MPa，并以50-100rpm的转速混合，固化催化剂完全分散在金属粉与硅酮为主要组分的膏状体中；

4）将步骤3）密闭搅拌釜得到的物料排料，并封闭保存，即为一种用于3D打印的膏状金属复合材料。