CN105665697A - 一种fdm 3d打印用金属或陶瓷耗材及其制备方法与打印成品方法 - Google Patents

一种fdm 3d打印用金属或陶瓷耗材及其制备方法与打印成品方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种FDM？3D打印用金属或陶瓷耗材及其制备方法与打印成品方法，由以下重量份数的组分组成：高分子材料15-50？份；相容剂0-2份；金属粉或陶瓷粉50-80？份；抗氧剂0.1-1？份；润滑剂0.1-2？份。本发明的设备、材料和加工成本比较低廉；打印的结构无限制，打印过程不存在坍塌情况，且支撑可在产品熔融烧结前去除，较SLS或者电子束EBAM熔融烧结后去除支撑更容易处理；对金属和陶瓷粉体的球形度、粒径分布、流动性等要求较低；够打印的金属和陶瓷的种类较广；成品密度较高、强度高、光洁度较高、微小化能力高、薄壁能力高、复杂程度高、设计宽容度高、适应材质范围广。

Description

一种FDM 3D打印用金属或陶瓷耗材及其制备方法与打印成品方法
技术领域：
本发明涉及3D打印技术领域，具体地说，涉及一种FDM3D打印用金属或陶瓷耗材及其制备方法与打印成品方法。
背景技术：
常见的金属或陶瓷3D打印技术需要使用高密度能量，比如激光SLS或者电子束EBAM，来根据预先确定的形状熔融打印床上的金属或陶瓷粉体，并层层创建出三维结构。这种方法存在许多缺点：①设备、材料和加工成本非常昂贵；②打印的结构有限，比如空心或者封闭的对象就难以打印；③对粉体的球形度、粒径分布、流动性等要求很高，粉体的质量对打印效果影响很大；④能够打印的材料种类很有限。陶瓷3D打印技术还可采用湿粘土挤出并层层叠加成型，再经烘干，煅烧，得到成品。这种陶瓷3D打印技术面临以下问题：①黏土在打印较大的对象时，很容易会因为自身重量而导致打印对象坍塌；②对陶瓷的湿度带来的粘度要求较高，且要严格除去气泡，材料不容易制备；③陶瓷在打印的过程中，还需要手工进行加工或检查。
熔融沉积成型FDM3D打印技术是应用最为广泛的3D打印技术，具有成本低、环境污染小、原料利用率高、工艺简单、可快速构建瓶状或中空零件、操作环境干净等优点。但是，FDM3D打印技术多用于打印塑料，不能打印金属和陶瓷，限制了金属和陶瓷在3D打印方面的应用。将塑料作为金属和陶瓷的粘结剂制备合适的耗材，通过FDM3D打印技术打印成型，再通过后处理制备金属和陶瓷制件，解决了目前金属和陶瓷3D打印存在的缺点，具有以下优点：①设备、材料和加工成本比较低廉；②打印的结构无限制，打印过程不存在坍塌情况，支撑可在产品熔融烧结前去除，与SLS或者电子束EBAM熔融烧结后去除支撑相比更具优势；③对金属和陶瓷粉体的球形度、粒径分布、流动性等要求较低；④能够打印的金属和陶瓷的种类较广。该技术将进一步加速金属和陶瓷3D打印的推广，使其广泛应用于航空航天、精密机械、模具、医疗和军工制造等行业。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种FDM3D打印用金属或陶瓷耗材及其制备方法与打印成品方法。该发明具有设备、材料和加工成本比较低廉；打印的结构无限制，打印过程不存在坍塌情况、支撑容易去除；对金属和陶瓷粉体的球形度、粒径分布、流动性等要求较低；能够打印的金属和陶瓷的种类较广；成品密度较高、强度高、光洁度较高、微小化能力高、薄壁能力高、复杂程度高、设计宽容度高、适应材质范围广等特点。
为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种FDM3D打印用金属或陶瓷耗材，由以下重量份数的组分组成：
作为优选的，在上述的FDM3D打印用金属或陶瓷耗材中，所述高分子材料为聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯醇(PVA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)、丙烯腈-丙烯酸酯-苯乙烯塑料(ASA)、丙烯腈-苯乙烯共聚物(AS)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、尼龙(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲醛(POM)、聚己内酯(PCL)、聚烷酸脂(PHA)、聚丁二酸丁二脂(PBS)、聚氯乙烯(PVC)、聚甲基炳烯酸甲脂(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯(PETG)、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯(PCTG)、聚苯醚(PPO)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、液晶聚合物(LCP)、聚砜(PSU)、聚酰亚胺(PI)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚砜(PES)、聚酰胺-酰亚胺(PAI)、聚苯砜(PPSF)、POE、接枝POE、EPDM、PBE、SEBS、SBS、SIS、SEPS、SOE、ABS高胶粉、MBS、ACR、EMA、硅橡胶、乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯无规共聚物、乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物、马来酸酐、丙烯酸酯双官能化乙烯类弹性体、EVA、PU、TPO、TPE、TPV、TPU、TPEE、TPR中的至少一种。
作为优选的，在上述的FDM3D打印用金属或陶瓷耗材中，所述相容剂为马来酸酐接枝物、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的至少一种。
作为优选的，在上述的FDM3D打印用金属或陶瓷耗材中，所述金属粉为铝、铁、铜、银、金、钛、锌、锰、钨、镍、钴、锡、铅、铬、钼、铂、钒、不锈钢、低合金钢、工具钢、硬质合金、重合金、钛合金、钨合金、镍合金、磁性材料、铁镍钴合金、稀土金属中的至少一种。
作为优选的，在上述的FDM3D打印用金属或陶瓷耗材中，所述陶瓷粉为氧化硅、氧化铝、氧化锆、粘土、石英、长石、滑石、氧化钾、氧化钠、氧化钙、氧化镁、氧化铁、氧化钛、氧化铜、氧化钴、氧化锰、碳化硅、碳化钛、氮化硅、氮化硼、氮化铝、钛酸钡、钛酸镁、钛酸铅、稀土金属氧化物、氟化钙中的至少一种。
作为优选的，在上述的FDM3D打印用金属或陶瓷耗材中，所述抗氧剂为受阻酚类、受阻胺类、亚磷酸酯类、硫酸酯类中的至少一种；所述润滑剂为蜡类、硅酮类、酰胺类、硬脂酸类中的至少一种。
上述FDM3D打印用金属或陶瓷耗材的制备方法，包括以下步骤：
(1)按FDM3D打印用金属或陶瓷耗材的组分配比称取各组分原料；
(2)将金属粉或陶瓷粉先与相容剂通过搅拌机混合均匀，再将其余物料加入混合均匀；
(3)将混合好的物料通过双螺杆挤出机挤出，经冷却、风干、切粒，制成高分子材料粘结的金属或陶瓷粒料。
(4)将粒料通过单螺杆挤出机挤出，经冷却、风干、拉条、绕卷，制成FDM3D打印用金属或陶瓷耗材。
利用上述FDM3D打印用金属或陶瓷耗材打印成品的方法，包括以下步骤：
(1)将FDM3D打印用金属或陶瓷耗材通过FDM3D打印机打印成型；
(2)将所得的打印制件进行脱脂，然后进行高温烧结处理，再经抛光得到打印成品。
作为优选，所述脱脂为催化脱脂、溶剂脱脂和热脱脂中的至少一种。
作为优选，所述溶剂脱脂所用的溶剂为水、丙酮、丁酮、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮、多元醇二元酯、乙酸乙酯、乳酸乙酯、乳酸丙酯、碳酸二甲酯、丙二醇二醋酸酯、3-甲氧基丙酸甲酯、丁二酸二甲酯、戊二酸二甲酯、己二酸二甲酯、混合二元酸酯、2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇单异丁酸酯、乙二醇二乙酸酯、乙醇酸丁酯、乙二醇丁基醚碳酸酯、乙二醇丁醚醋酸酯、丙二醇甲醚醋酸酯、二乙二醇丁醚醋酸酯、二丙二醇甲醚醋酸酯、丙二醇乙醚醋酸酯、丙二醇甲醚丙酸酯、三氟乙醇、二氯甲烷、乙酸戊酯、二氧六环、柠檬烯中的至少一种；所述高温烧结为普通烧结、真空烧结、氢气氛围烧结、氮气氛围烧结、惰性气体烧结中的至少一种。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)设备、材料和加工成本比较低廉；
(2)打印的结构无限制，打印过程不存在坍塌情况，且支撑可在产品熔融烧结前去除，较SLS或者电子束EBAM熔融烧结后去除支撑更容易处理；
(3)对金属和陶瓷粉体的球形度、粒径分布、流动性等要求较低；
(4)够打印的金属和陶瓷的种类较广；
(5)成品密度较高、强度高、光洁度较高、微小化能力高、薄壁能力高、复杂程度高、设计宽容度高、适应材质范围广。
具体实施方式：
下文中的重量份可以表示本领域常规的单位计量，如千克、克等，也可以表示的是各组分之间的比例，如质量或重量比等。
以下结合具体优选实施例对上述FDM3D打印用金属或陶瓷耗材的制备方法及其打印成品制备工艺进行详细阐述。下述各实施例中FDM3D打印用金属或陶瓷耗材所含的组分均在上文所述FDM3D打印用金属或陶瓷耗材的种类和含量范围内选用。
实施例1：
步骤S11：按FDM3D打印用金属耗材的组分配比称取各组分原料，PP3015：1.0KG，POE610：0.5KG，PP-g-MAH：0.2KG，铝粉：8KG，抗氧剂1010：0.05KG，抗氧剂168：0.05KG，EBS：0.1KG，硬脂酸钙：0.1KG。
步骤S12：将物料通过搅拌机混合均匀。
步骤S13：将混合好的物料通过双螺杆挤出机挤出，加工温度180～220℃，经水冷、风干、切粒，制成PP粘结的金属铝粒料。
步骤S14：将粒料通过单螺杆挤出机挤出，加工温度200℃，经水冷、风干、拉条、绕卷，制成FDM3D打印用金属铝耗材。
步骤S15：将FDM3D打印用金属铝耗材通过FDM3D打印机打印成型，打印温度为220℃。
步骤S16：将所得的打印制件在360℃进行热脱脂处理2h，然后在600℃进行真空烧结处理2h，再经抛光得到打印成品。
实施例2：
步骤S21：按FDM3D打印用金属耗材的组分配比称取各组分原料，ABS757：4.0KG，ABS高胶粉：1.0KG，马氏体时效钢粉：5.0KG，抗氧剂DLTP：0.005KG，抗氧剂168：0.005KG，石蜡：0.01KG。
步骤S22：将各组分通过搅拌机混合均匀。
步骤S23：将混合好的物料通过双螺杆挤出机挤出，加工温度200℃，经水冷、风干、切粒，制成ABS粘结的金属钢粒料。
步骤S24：将粒料通过单螺杆挤出机挤出，加工温度210℃，经水冷、风干、拉条、绕卷，制成FDM3D打印用金属钢耗材。
步骤S25：将FDM3D打印用金属钢耗材通过FDM3D打印机打印成型，打印温度为220℃。
步骤S26：将所得的打印制件在DBE溶液中60℃下溶剂脱脂12h，再在320℃进行热脱脂处理12h，然后在1400℃进行氢气氛围烧结处理12h，再经抛光得到打印成品。
实施例3：
步骤S31：按FDM3D打印用金属耗材的组分配比称取各组分原料，PVA：3.0KG，钛酸酯偶联剂：0.05KG，钛合金粉：7.0KG，抗氧剂1010：0.01KG，抗氧剂168：0.02KG，OP蜡：0.05KG。
步骤S32：将钛合金粉先与钛酸酯偶联剂通过搅拌机混合均匀，再将其余物料加入混合均匀。
步骤S33：将混合好的物料通过双螺杆挤出机挤出，加工温度230～240℃，经风冷、风干、切粒，制成PVA粘结的金属钛合金粒料。
步骤S34：将粒料通过单螺杆挤出机挤出，加工温度230℃，经风冷、风干、拉条、绕卷，制成FDM3D打印用金属钛合金耗材。
步骤S35：将FDM3D打印用金属钛合金耗材通过FDM3D打印机打印成型，打印温度为250℃。
步骤S36：将所得的打印制件在水溶液中80℃下溶剂脱脂2h，再在300℃进行热脱脂处理2h，然后升温至1300℃进行氮气氛围烧结处理4h，再经抛光得到打印成品。
实施例4：
步骤S41：按FDM3D打印用陶瓷耗材的组分配比称取各组分原料，POM：2.5KG，TPU：0.5KG，KH550：0.03KG，氧化铝粉：7.0KG，抗氧剂1076：0.01KG，抗氧剂627：0.02KG，TAF：0.04KG。
步骤S42：将氧化铝粉先与KH550通过搅拌机混合均匀，再将其余物料加入混合均匀。
步骤S43：将混合好的物料通过双螺杆挤出机挤出，加工温度190～210℃，经水冷、风干、切粒，制成POM粘结的陶瓷氧化铝粒料。
步骤S44：将粒料通过单螺杆挤出机挤出，加工温度190～210℃，经水冷、风干、拉条、绕卷，制成FDM3D打印用陶瓷氧化铝耗材。
步骤S45：将FDM3D打印用陶瓷氧化铝耗材通过FDM3D打印机打印成型，打印温度为220℃。
步骤S46：将所得的打印制件在硝酸催化脱脂3h，再在300℃进行热脱脂处理2h，然后升温至1500℃进行烧结处理3h，再经抛光得到打印成品。
实施例5：
步骤S51：按FDM3D打印用陶瓷耗材的组分配比称取各组分原料，PA6：3.0KG，KT-10：0.5KG，铝酸酯偶联剂：0.02KG，氧化锆粉：6.5KG，抗氧剂1098：0.01KG，抗氧剂168：0.02KG，YY503：0.02KG，硅酮粉：0.01KG。
步骤S52：将氧化锆粉先与铝酸酯偶联剂通过搅拌机混合均匀，再将其余物料加入混合均匀。
步骤S53：将混合好的物料通过双螺杆挤出机挤出，加工温度220～260℃，经水冷、风干、切粒，制成PA粘结的陶瓷氧化锆粒料。
步骤S54：将粒料通过单螺杆挤出机挤出，加工温度260℃，经水冷、风干、拉条、绕卷，制成FDM3D打印用陶瓷氧化锆耗材。
步骤S55：将FDM3D打印用陶瓷氧化锆耗材通过FDM3D打印机打印成型，打印温度为260℃。
步骤S56：将所得的打印制件在三氟乙醇中溶剂脱脂3h，再在350℃进行热脱脂处理3h，然后升温至1600℃进行烧结处理5h，再经抛光得到打印成品。
对比例1：
在实施例3中，将钛合金由3D打印成型、脱脂、高温烧结、抛光的加工方式替换为粉末冶金。
对比例2：
在实施例3中，将钛合金由3D打印成型、脱脂、高温烧结、抛光的加工方式替换为精密铸造。
对比例3：
在实施例3中，将钛合金由3D打印成型、脱脂、高温烧结、抛光的加工方式替换为机加工。
对比例4：
在实施例3中，将钛合金由3D打印成型、脱脂、高温烧结、抛光的加工方式替换为冲压。
对比例5：
在实施例3中，将钛合金由3D打印成型、脱脂、高温烧结、抛光的加工方式替换为SLS3D打印。
相关性能测试：
将上述实施例1-5和对比例1-5提供的加工特点和产品性能如表1所示。
表1实施例和对比例加工特点和产品性能

Claims (10)

1.一种FDM3D打印用金属或陶瓷耗材，其特征在于由以下重量份数的组分组成：
高分子材料15-50份；
相容剂0-2份；
金属粉或陶瓷粉50-80份；
抗氧剂0.1-1份；
润滑剂0.1-2份。
2.如权利要求1所述的FDM3D打印用金属或陶瓷耗材，其特征在于，所述高分子材料为聚丙烯、聚乙烯、聚乳酸、聚乙烯醇、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料、丙烯腈-丙烯酸酯-苯乙烯塑料、丙烯腈-苯乙烯共聚物、聚苯乙烯、聚氯乙烯、尼龙、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲醛、聚己内酯、聚烷酸脂、聚丁二酸丁二脂、聚氯乙烯、聚甲基炳烯酸甲脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮、液晶聚合物、聚砜、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚酰胺-酰亚胺、聚苯砜、POE、接枝POE、EPDM、PBE、SEBS、SBS、SIS、SEPS、SOE、ABS高胶粉、MBS、ACR、EMA、硅橡胶、乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯无规共聚物、乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物、马来酸酐、丙烯酸酯双官能化乙烯类弹性体、EVA、PU、TPO、TPE、TPV、TPU、TPEE、TPR中的至少一种。
3.如权利要求1所述的FDM3D打印用金属或陶瓷耗材，其特征在于，所述相容剂为马来酸酐接枝物、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的至少一种。
4.如权利要求1所述的FDM3D打印用金属或陶瓷耗材，其特征在于，所述金属粉为铝、铁、铜、银、金、钛、锌、锰、钨、镍、钴、锡、铅、铬、钼、铂、钒、不锈钢、低合金钢、工具钢、硬质合金、重合金、钛合金、钨合金、镍合金、磁性材料、铁镍钴合金、稀土金属中的至少一种。
5.如权利要求1所述的FDM3D打印用金属或陶瓷耗材，其特征在于，所述陶瓷粉为氧化硅、氧化铝、氧化锆、粘土、石英、长石、滑石、氧化钾、氧化钠、氧化钙、氧化镁、氧化铁、氧化钛、氧化铜、氧化钴、氧化锰、碳化硅、碳化钛、氮化硅、氮化硼、氮化铝、钛酸钡、钛酸镁、钛酸铅、稀土金属氧化物、氟化钙中的至少一种。
6.如权利要求1所述的FDM3D打印用金属或陶瓷耗材，其特征在于，所述抗氧剂为受阻酚类、受阻胺类、亚磷酸酯类、硫酸酯类中的至少一种；所述润滑剂为蜡类、硅酮类、酰胺类、硬脂酸类中的至少一种。
7.权利要求1所述FDM3D打印用金属或陶瓷耗材的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)按FDM3D打印用金属或陶瓷耗材的组分配比称取各组分原料；
(2)将金属粉或陶瓷粉先与相容剂通过搅拌机混合均匀，再将其余物料加入混合均匀；
(3)将混合好的物料通过双螺杆挤出机挤出，经冷却、风干、切粒，制成高分子材料粘结的金属或陶瓷粒料；
(4)将粒料通过单螺杆挤出机挤出，经冷却、风干、拉条、绕卷，制成FDM3D打印用金属或陶瓷耗材。
8.利用权利要求1所述FDM3D打印用金属或陶瓷耗材打印成品的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将FDM3D打印用金属或陶瓷耗材通过FDM3D打印机打印成型；
(2)将所得的打印制件进行脱脂，然后进行高温烧结处理，再经抛光得到打印成品。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述脱脂为催化脱脂、溶剂脱脂和热脱脂中的至少一种。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述溶剂脱脂所用的溶剂为水、丙酮、丁酮、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮、多元醇二元酯、乙酸乙酯、乳酸乙酯、乳酸丙酯、碳酸二甲酯、丙二醇二醋酸酯、3-甲氧基丙酸甲酯、丁二酸二甲酯、戊二酸二甲酯、己二酸二甲酯、混合二元酸酯、2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇单异丁酸酯、乙二醇二乙酸酯、乙醇酸丁酯、乙二醇丁基醚碳酸酯、乙二醇丁醚醋酸酯、丙二醇甲醚醋酸酯、二乙二醇丁醚醋酸酯、二丙二醇甲醚醋酸酯、丙二醇乙醚醋酸酯、丙二醇甲醚丙酸酯、三氟乙醇、二氯甲烷、乙酸戊酯、二氧六环、柠檬烯中的至少一种；所述高温烧结为普通烧结、真空烧结、氢气氛围烧结、氮气氛围烧结、惰性气体烧结中的至少一种。
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