CN105772712A - 一种基于差异化粒径的多材质增材制造粉末分离方法 - Google Patents

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刘长猛
石学智
马树元
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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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Abstract

本发明公开了一种基于差异化粒径的多材质增材制造粉末分离方法。该方法利用多种不同粒径范围的粉末材料进行增材制造，其特征在于，每种粉末材料的粒径大小不一样，且粒径范围没有重合；多材质零件制造完成后，将未加工的混合粉末根据粉末的粒径大小利用振动筛，从小到大依次筛出各种粉末材料，粉末分离后可进行回收再利用。本发明既满足了多种材料增材制造的成形要求，又解决了多种粉末材料混合后难以分离的问题，极大地提高了粉末利用率。

Description

一种基于差异化粒径的多材质增材制造粉末分离方法
技术领域
本发明属于3D打印领域，具体涉及一种基于差异化粒径的多材质增材制造粉末分离方法。
背景技术
近年来，随着粉体制备技术的不断提高，许多粉末材料已商品化，成本也逐渐降低，采用粉末材料直接成形零件或模具已成为当前的研究热点。随着增材制造技术的研究与发展，高分子聚合物、金属、陶瓷、覆膜砂、生物活性材料等粉末材料及其中2种或2种以上的复合粉末都可成为增材制造工艺的成形材料。
粉末作为增材制造的主要原材料，具有成形精度高、性能好、材料流动性好、材料输送或铺制方便、利用率高、便于回收等优点。粉末增材制造方法也因此成为增材制造技术的主要方向，包括基于激光技术的选择性激光烧结技术(SelectiveLaserSintering,SLS)、选择性激光熔化技术(SelectiveLaserMelting,SLM)、激光工程化净成形技术(LaserEngineeringNetShaping,LENS)及基于电子束技术的电子束熔化技术(ElectronBeamMelting,EBM)和基于微喷射粘结技术的三维打印技术(Three-DimensionalPrinting,3DP)等。当前，上述工艺已广泛应用于制造各种单质材料的结构件，在航空航天、模具制造等领域也应用广泛。
然而，对于多材质零件的粉末增材制造，尚未取得突破性进展。其中，阻碍其发展的主要原因之一便是不同的粉末材料增材制造过程中易于混杂，造成粉末难以回收、利用率大幅度降低，从而导致成本大幅度增加。因此，解决多材料粉末增材制造过程中粉末回收问题对推动增材制造技术发展具有重要意义。
发明内容
针对现有增材制造工艺在进行多材质零件制备过程中存在粉末混合后，无法进行粉末回收再利用这一技术难点，本发明提出了一种基于差异化粒径的多材质增材制造粉末分离方法。该方法利用不同粒径范围的粉末材料进行三维打印成形，方便粉末混合后的分离及回收，大大提高了粉末的利用率。
为实现上述目的，本发明通过下述技术方案实现：
一种基于差异化粒径的多材质增材制造粉末分离方法。该方法利用多种不同粒径范围的粉末材料进行三维打印成形。三维打印完成后，将未加工的混合粉末根据粉末的粒径大小利用振动筛，从小到大依次筛出各种粉末材料，粉末分离后可进行回收再利用。
所述的三维打印成形包括所有基于粉末的三维打印技术，例如选择性激光烧结技术(SLS)、选择性激光熔化技术(SLM)、激光工程化净成形技术(LENS)及电子束熔化技术(EBM)和三维打印技术(3DP)等。
所述的成形材料由两种或两种以上粉末材料组成，粉末材料的材质不限，可以是金属、陶瓷、覆膜砂、高分子聚合物、蜡及复合材料等。每种成型材料的粒径大小均不一样，且粒径范围没有重合，这样便于混合粉末的分离、回收。
当前，复合材料/梯度材料等由两种或多种材料组成的新材料是先进材料的重要发展方向。因此，多材料增材制造的工艺和机理研究对于推动新型先进材料发展具有重要意义。本发明为多材料制件的增材制造提供了一种简单、实用的工艺方法，适用于所有的粉末增材制造技术，解决了粉末材料混合后难以分离的问题，极大地提高了粉末利用率。
附图说明
图1为本发明的一种基于差异化粒径的多材质增材制造的粉末分离方法的示意图
图中：1、回收箱，2、混合粉末，3、振动筛，4、粗粉材料，5、细粉材料
图2为本发明应用实施例一的一种基于差异化粒径的多材质选区激光熔化的工艺流程图
图中：1、激光束，2、粗粉Ti，3、工作基板，4、第一层熔化截面，5、细粉TC4，6、第二层熔化截面，7、成型件，8、未加工的混合粉末
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。
应用实施例一:
Ti-TC4叠层结构的SLM成形。成形粉末为TiC4粉(粉末粒度为20-50μm)、Ti粉(粉末粒度为75-105μm)，基材选用冷轧纯Ti板，实验前用砂纸打磨掉工作表面的氧化皮后再用丙酮擦拭干净。成形件大小为10mm*10mm*10mm，根据所用粉末的粒度大小确定每个TC4层厚度为100μm，Ti层厚度为150μm。
首先通过计算机对Ti-TC4叠层结构零件模型进行设计并添加材料属性，同时对模型分层处理，根据每个切片的几何轮廓信息和材料信息，规划出扫描路径，并沿扫描轨迹设计相应的激光功率、扫描速度等数据。
实验中采用500W光纤激光器，激光输出功率在200-400W，保护气为氩气。扫描速度为400mm/s，光斑直径为100μm，保护气流量1.8L/min。成形过程如图2所示，数控工作台控制工作基板3下降150μm，铺粉机构将Ti粉2平铺在工作台3上，激光束1按照计算机所生成的扫描轨迹和扫描工艺参数对粉末2进行扫描，将轮廓内的粉末材料熔化，形成第一层截面4；工作台按设定程序再下降100μm，铺置TC4粉5，激光束1按照对应的扫描轨迹和扫描工艺参数熔化下一层材料，形成第二层熔化截面6；逐层扫描直到成型件7加工完成。将未加工部分的混合粉末8取出烘干，如图1所示，通过振动筛(240目)，将两者分离，分别回收。
应用实施例二:
TC4-Ti2A1Nb梯度材料零件的LENS成形。成形粉末为TC4粉(粉末粒度为50-90μm)、Ti2A1Nb粉(粉末粒度为105-150μm)，基材选用冷轧TC4板，实验前用砂纸打磨掉工作表面的氧化皮后再用丙酮擦拭干净。成形件高度为20mm，其中最开始距离基材底部5mm的熔覆沉积区是TC4，接下来的10mm为从纯TC4到Ti2A1Nb的线性成分过渡，最后的5mm为Ti2A1Nb。
首先通过计算机对TC4-Ti2A1Nb梯度材料零件模型进行设计并添加材料属性，同时对模型分层处理，根据每个切片的几何轮廓信息和材料信息，规划出扫描路径，并沿扫描轨迹计算相应的粉料配比、激光功率、扫描速度等数据。
成形过程采用5kW连续CO2激光器，激光器输出功率2.1-3.2kW，保护气为氩气。扫描速度3.5mm/s，光束直径3mm，送粉速率5g/min，保护气流量3.5L/min。激光束经过聚焦后照射到基材上并在基材表面形成熔池，同时根据梯度区的组分变化，将按不同配比预制的合金粉由送粉器送出，经送粉喷嘴送入熔池，并实时调整激光器输出功率，进行激光多层熔覆沉积。全部层都涂覆完后，就得到了TC4-Ti2A1Nb梯度材料零件。
将工作台上的混合粉末进行回收后，通过160目(96μm)的振动筛筛出小粒径的TC4粉，实现TC4粉与Ti2A1Nb粉的分离回收。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于差异化粒径的多材质增材制造粉末分离方法。该方法利用多种不同粒径范围的粉末材料进行增材制造。多材质零件制造完成后，将未加工的混合粉末根据粉末的粒径大小利用振动筛，从小到大依次筛出各种粉末材料，粉末分离后可进行回收再利用。
2.根据权利要求1所述的一种基于差异化粒径的多材质增材制造粉末分离方法，其特征在于，该方法适用于所有基于粉末的增材制造技术，例如选择性激光烧结技术(SelectiveLaserSintering,SLS)、选择性激光熔化技术(SelectiveLaserMelting,SLM)、激光工程化净成形技术(LaserEngineeringNetShaping,LENS)、电子束熔化技术(ElectronBeamMelting,EBM)及微喷射粘结技术的三维打印技术(Three-DimensionalPrinting,3DP)等。
3.根据权利要求1所述的一种基于差异化粒径的多材质增材制造粉末分离方法，其特征在于，成形材料由两种或两种以上粉末材料组成，粉末材料的材质不限，可以是金属、陶瓷、覆膜砂、高分子聚合物及复合材料等。
4.根据权利要求3所述的一种基于差异化粒径的多材质增材制造粉末分离方法，其特征在于，所述多种成形材料每种粒径大小均不一样，且粒径范围没有重合，这样便于混合粉末的分离，实现粉末的回收再利用。
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