CN105772727A - 一种金属材料梯度零件的3d打印成型方法 - Google Patents

一种金属材料梯度零件的3d打印成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属材料梯度零件的3D打印成型方法，将注射成形与3D打印技术相结合，在打印过程中施加运动磁场，铁磁性材料受磁场作用在熔道内定向移动，可得铁磁性与非铁磁性金属梯度零件，在计算机以及运动磁场的控制下，实现真正意义上的3D打印金属梯度零件，可直接成型梯度零件，并在任意空间位置实现梯度分布，通过改变运动磁场的磁场强弱、运动速度以及磁场作用次数来获得不同程度梯度的零件，零件可直接用于工程中，节省材料和设备成本，适合广泛推广应用。

Description

一种金属材料梯度零件的3D打印成型方法
技术领域
本发明属于机械制造领域的3D打印技术，具体涉及一种金属材料梯度零件的3D打印成型方法。
背景技术
3D打印是一种以数字模型为驱动源，通过逐层打印的方式来构造物体空间形态的快速成型技术，近几年随着增材制造向功能零件制造发展，金属增材制造也达到了极大地发展，现有金属3D打印技术有选择性激光烧结技术(SLS)，选区激光熔化成形技术(SLM)，激光快速成形技术(LRF)或激光立体成形技术(LSF)，这几种技术都通过激光进行操作，只能制备简单的金属零件，无法制备金属梯度零件，打印工艺设备及材料昂贵，打印方法复杂，成型速度慢，多数都停留在单材均质加工方面，不能直接成型，无法实现梯度功能材料的金属零件成型，梯度程度和薄壁零件的厚度不可控，而大多数零件或产品均由多种材料构成，不能广泛应用。
发明内容
本发明的目的就是针对现有金属3D打印技术只能制备单一金属材料零件，无法制备多金属材料的梯度零件，而提供一种金属材料梯度零件的3D打印成型方法。
本发明之一种金属材料梯度零件的3D打印成型方法，该方法的步骤如下：
一：金属浆料的配制，将金属粉末与高分子粘结剂均匀混合后加热，混合后材料在160～200℃时熔化成为浆料，当温度降低到室温时浆料会快速固化；
所述金属浆料的组成成分及质量百分比如下：
金属粉末50-70％，高分子粘结剂30-50％；
金属粉末的组成成分及质量百分比如下：
铁磁性金属粉末50％，非铁磁性金属粉末50％；
所述铁磁性金属粉末：粒度为0.1-100μm，中值粒径为50μm；
所述铁磁性金属粉末材质为Fe或Ni或Co或Gd；
所述非铁磁性金属粉末：粒度为0.1-100μm，中值粒径为50μm；
所述非铁磁性金属粉末材质为Al或Cu或Mg或Ti；
高分子粘结剂的组成成分及质量百分比如下：
石蜡55-65％，高密度聚乙烯12-22％，聚丙烯10-21％，硬脂酸1-5％；
二：薄壁零件的数据建模，利用三维软件建立模型，然后进行切片处理，层片的厚度为0.04～0.20mm，建立零件的三维数据模型；
三：运动磁场下3D打印成型，利用熔融沉积成型技术，计算机控制本发明装置，根据加工工件截面轮廓的信息做X、Y平面运动，而成型平台做Z方向的运动，材料由数控定量材料挤出机构送至可旋转鸭嘴形打印挤出头，并在可旋转鸭嘴形打印挤出头中加热至熔融状态，然后选择性地挤出沉积在成型平台上，快速冷却后固化成型形成加工工件截面轮廓，当成型完成后，成型平台下降一截面层的高度，可旋转鸭嘴形打印挤出头再进行下一层的打印，如此循环，最终形成产品，打印过程中，可旋转鸭嘴形打印挤出头在一定温度下将具有流动性的金属浆料按照计算机设定的轨迹和速度挤出，熔道的铁磁性材料在磁场的作用下迅速移动，在熔道内组分连续变化，改变运动磁场的磁场强弱、运动速度以及磁场作用次数可获得不同程度梯度的零件，在任意空间位置梯度程度可控，且通过改变可旋转鸭嘴形打印挤出头的旋转角度，得到各种厚度的坯体，运动磁场是电磁铁或永磁铁产生的磁场；
四：将坯体内的高分子粘结剂进行脱除，首先是溶剂脱脂，将坯体放入三氯乙烯溶液中，溶液的温度为30-50℃，脱脂8-12h，干燥后，然后将坯体埋入三氧化二铝粉末中，整体放入真空气氛炉内进行热处理以及预烧结，温度上升速度为1～3℃/min，温度为500-700℃，时间为3-4h；
五：烧结，将预烧结坯体放在真空气氛炉内继续加温，升温速度可控制在4-6℃/min，具体的温度和时间与烧结的金属材料的熔点有关，烧结完成后，得到所需的梯度金属零件。
本发明之一种金属梯度零件的3D打印装置：是由XY方向数控移动装置、数控定量材料挤出机构、磁场及移动控制装置和成型平台组成，成型平台固定设置在地面上，数控定量材料挤出机构设置在XY方向数控移动装置上，磁场及移动控制装置设置在成型平台于XY方向数控移动装置之间。
本发明的有益效果：
本发明工艺简单，操作方便，在计算机以及运动磁场的控制下，实现真正意义上的3D打印金属梯度零件，可直接成型梯度零件，并在任意空间位置实现梯度分布，通过改变运动磁场的磁场强弱、运动速度以及磁场作用次数来获得不同程度梯度的零件，零件可直接用于工程中，节省材料和设备成本，适合广泛推广应用。
附图说明
图1是本发明的3D打印装置结构示意图。
图2是本发明可旋转鸭嘴形打印挤出头的主视图。
图3是本发明可旋转鸭嘴形打印挤出头的左视图。
图4是本发明可旋转鸭嘴形打印挤出头的俯视图。
图5是本发明具体实施例1受到运动磁场作用后熔道内浆料材料的磁性与非磁性物质粒子分布变化示意图。
图6是本发明具体实施例2受到运动磁场作用后熔道内浆料材料的磁性与非磁性物质粒子分布变化示意图。
具体实施方式
本发明之一种金属材料梯度零件的3D打印成型方法，该方法的步骤如下：
一：金属浆料的配制，将金属粉末与高分子粘结剂均匀混合后加热，混合后材料在160～200℃时熔化成为浆料，当温度降低到室温时浆料会快速固化；
所述金属浆料的组成成分及质量百分比如下：
金属粉末50-70％，高分子粘结剂30-50％；
金属粉末的组成成分及质量百分比如下：
铁磁性金属粉末50％，非铁磁性金属粉末50％；
所述铁磁性金属粉末：粒度为0.1-100μm，中值粒径为50μm；
所述铁磁性金属粉末材质为Fe或Ni或Co或Gd；
所述非铁磁性金属粉末：粒度为0.1-100μm，中值粒径为50μm；
所述非铁磁性金属粉末材质为Al或Cu或Mg或Ti；
高分子粘结剂的组成成分及质量百分比如下：
石蜡55-65％，高密度聚乙烯12-22％，聚丙烯10-21％，硬脂酸1-5％；
二：薄壁零件的数据建模，利用三维软件建立模型，然后进行切片处理，层片的厚度为0.04～0.20mm，建立零件的三维数据模型；
三：运动磁场下3D打印成型，利用熔融沉积成型技术，计算机控制本发明装置，根据加工工件截面轮廓的信息做X、Y平面运动，而成型平台4做Z方向的运动，材料由数控定量材料挤出机构2送至可旋转鸭嘴形打印挤出头21，并在可旋转鸭嘴形打印挤出头21中加热至熔融状态，然后选择性地挤出沉积在成型平台4上，快速冷却后固化成型形成加工工件截面轮廓，当成型完成后，成型平台4下降一截面层的高度，可旋转鸭嘴形打印挤出头21再进行下一层的打印，如此循环，最终形成产品，打印过程中，可旋转鸭嘴形打印挤出头21在一定温度下将具有流动性的金属浆料按照计算机设定的轨迹和速度挤出，熔道的铁磁性材料在磁场的作用下迅速移动，在熔道内组分连续变化，改变运动磁场的磁场强弱、运动速度以及磁场作用次数可获得不同程度梯度的零件，在任意空间位置梯度程度可控，且通过改变可旋转鸭嘴形打印挤出头的旋转角度，得到各种厚度的坯体，运动磁场是电磁铁或永磁铁产生的磁场；
四：将坯体内的高分子粘结剂进行脱除，首先是溶剂脱脂，将坯体放入三氯乙烯溶液中，溶液的温度为30-50℃，脱脂8-12h，干燥后，然后将坯体埋入三氧化二铝粉末中，整体放入真空气氛炉内进行热处理以及预烧结，温度上升速度为1～3℃/min，温度为500-700℃，时间为3-4h；
五：烧结，将预烧结坯体放在真空气氛炉内继续加温，升温速度可控制在4-6℃/min，具体的温度和时间与烧结的金属材料的熔点有关，烧结完成后，得到所需的梯度金属零件。
本发明之3D打印方法所用的打印成型装置：是由XY方向数控移动装置1、数控定量材料挤出机构2、磁场及移动控制装置3和成型平台4组成，成型平台4固定设置在地面上，数控定量材料挤出机构2设置在XY方向数控移动装置1上，磁场及移动控制装置3设置在成型平台4于XY方向数控移动装置1之间。
具体实例1：
请参阅图1、图5和图6所示，本发明之一种金属材料梯度零件的3D打印成型方法，该方法的步骤如下：
一：金属浆料的配制，将金属粉末与高分子粘结剂均匀混合后加热，混合后材料在180℃时熔化成为浆料，当温度降低到室温时浆料会快速固化；
所述金属浆料的组成成分及质量百分比如下：
金属粉末60％，高分子粘结剂40％；
金属粉末的组成成分及质量百分比如下：
镍合金粉末A为50％，铜合金粉末B为50％；
所述镍合金粉末A：粒度为0.1-100μm，中值粒径为50μm；
所述铜合金粉末B：粒度为0.1-100μm，中值粒径为50μm；
高分子粘结剂的组成成分及质量百分比如下：
石蜡60％，高密度聚乙烯21％，聚丙烯14％，硬脂酸5％；
二：薄壁零件的数据建模，利用三维软件建立模型，然后进行切片处理，层片的厚度为0.1mm，建立零件的三维数据模型；
三：运动磁场下3D打印成型，利用熔融沉积成型技术，计算机控制本发明装置，根据加工工件截面轮廓的信息做X、Y平面运动，而成型平台4做Z方向的运动，材料由数控定量材料挤出机构2送至可旋转鸭嘴形打印挤出头21，并在可旋转鸭嘴形打印挤出头21中加热至熔融状态，然后选择性地挤出沉积在成型平台4上，快速冷却后固化成型形成加工工件截面轮廓，当成型完成后，成型平台4下降一截面层的高度，可旋转鸭嘴形打印挤出头21再进行下一层的打印，如此循环，最终形成产品，打印过程中，可旋转鸭嘴形打印挤出头21在一定温度下将具有流动性的金属浆料按照计算机设定的轨迹和速度挤出，熔道的铁磁性材料在磁场的作用下迅速移动，在熔道内组分连续变化，改变运动磁场的磁场强弱、运动速度以及磁场作用次数可获得不同程度梯度的零件，在任意空间位置梯度程度可控，且通过改变可旋转鸭嘴形打印挤出头的旋转角度，得到各种厚度的坯体，运动磁场是电磁铁或永磁铁产生的磁场；
四：将坯体内的高分子粘结剂进行脱除，首先是溶剂脱脂，将坯体放入三氯乙烯溶液中，溶液的温度为35℃，脱脂10h，干燥后，然后将坯体埋入三氧化二铝粉末中，整体放入真空气氛炉内进行热处理以及预烧结，温度上升速度为2℃/min，温度为550℃，时间为3.5h；
五：烧结，将预烧结坯体放在真空气氛炉内继续加温，升温速度可控制在4℃/min，具体的温度和时间与烧结的金属材料的熔点有关，烧结完成后，得到所需的梯度金属零件。
具体实例2：
请参阅图1、图5和图6所示，本发明之一种金属材料梯度零件的3D打印成型方法，该方法的步骤如下：
一：金属浆料的配制，将金属粉末与高分子粘结剂均匀混合后加热，混合后材料在190℃时熔化成为浆料，当温度降低到室温时浆料会快速固化；
所述金属浆料的组成成分及质量百分比如下：
金属粉末65％，高分子粘结剂35％；
金属粉末的组成成分及质量百分比如下：
镍合金粉末A为40％，铝合金粉末C为60％；
所述镍合金粉末A：粒度为0.1-100μm，中值粒径为50μm；
所述铝合金粉末C：粒度为0.1-100μm，中值粒径为50μm。
高分子粘结剂的组成成分及质量百分比如下：
石蜡65％，高密度聚乙烯20％，聚丙烯10％，硬脂酸5％；
二：薄壁零件的数据建模，利用三维软件建立模型，然后进行切片处理，层片的厚度为0.15mm，建立零件的三维数据模型；
三：运动磁场下3D打印成型，利用熔融沉积成型技术，计算机控制本发明装置，根据加工工件截面轮廓的信息做X、Y平面运动，而成型平台4做Z方向的运动，材料由数控定量材料挤出机构2送至可旋转鸭嘴形打印挤出头21，并在可旋转鸭嘴形打印挤出头21中加热至熔融状态，然后选择性地挤出沉积在成型平台4上，快速冷却后固化成型形成加工工件截面轮廓，当成型完成后，成型平台4下降一截面层的高度，可旋转鸭嘴形打印挤出头21再进行下一层的打印，如此循环，最终形成产品，打印过程中，可旋转鸭嘴形打印挤出头21在一定温度下将具有流动性的金属浆料按照计算机设定的轨迹和速度挤出，熔道的铁磁性材料在磁场的作用下迅速移动，在熔道内组分连续变化，改变运动磁场的磁场强弱、运动速度以及磁场作用次数可获得不同程度梯度的零件，在任意空间位置梯度程度可控，且通过改变可旋转鸭嘴形打印挤出头的旋转角度，得到各种厚度的坯体，运动磁场是电磁铁或永磁铁产生的磁场；
四：将坯体内的高分子粘结剂进行脱除，首先是溶剂脱脂，将坯体放入三氯乙烯溶液中，溶液的温度为40℃，脱脂11h，干燥后，然后将坯体埋入三氧化二铝粉末中，整体放入真空气氛炉内进行热处理以及预烧结，温度上升速度为3℃/min，温度为580℃，时间为4h；
五：烧结，将预烧结坯体放在真空气氛炉内继续加温，升温速度可控制在5℃/min，具体的温度和时间与烧结的金属材料的熔点有关，烧结完成后，得到所需的梯度金属零件。
请参阅图1所示，本发明之一种金属梯度零件的3D打印成型装置：是由XY方向数控移动装置1、数控定量材料挤出机构2、磁场及移动控制装置3和成型平台4组成，成型平台4固定设置在地面上，数控定量材料挤出机构2设置在XY方向数控移动装置1上，磁场及移动控制装置3设置在成型平台4于XY方向数控移动装置1之间。

Claims (4)

1.一种金属材料梯度零件的3D打印成型方法，该方法的步骤如下：
一：金属浆料的配制，将金属粉末与高分子粘结剂均匀混合后加热，混合后材料在160～200℃时熔化成为浆料，当温度降低到室温时浆料会快速固化；
所述金属浆料的组成成分及质量百分比如下：
金属粉末50-70％，高分子粘结剂30-50％；
金属粉末的组成成分及质量百分比如下：
铁磁性金属粉末50％，非铁磁性金属粉末50％；
所述铁磁性金属粉末：粒度为0.1-100μm，中值粒径为50μm；
所述铁磁性金属粉末材质为Fe或Ni或Co或Gd；
所述非铁磁性金属粉末：粒度为0.1-100μm，中值粒径为50μm；
所述非铁磁性金属粉末材质为Al或Cu或Mg或Ti；
高分子粘结剂的组成成分及质量百分比如下：
石蜡55-65％，高密度聚乙烯12-22％，聚丙烯10-21％，硬脂酸1-5％；
二：薄壁零件的数据建模，利用三维软件建立模型，然后进行切片处理，层片的厚度为0.04～0.20mm，建立零件的三维数据模型；
三：运动磁场下3D打印成型，利用熔融沉积成型技术，计算机控制本发明装置，根据加工工件截面轮廓的信息做X、Y平面运动，而成型平台(4)做Z方向的运动，材料由数控定量材料挤出机构(2)送至可旋转鸭嘴形打印挤出头(21)，并在可旋转鸭嘴形打印挤出头(21)中加热至熔融状态，然后选择性地挤出沉积在成型平台(4)上，快速冷却后固化成型形成加工工件截面轮廓，当成型完成后，成型平台(4)下降一截面层的高度，可旋转鸭嘴形打印挤出头(21)再进行下一层的打印，如此循环，最终形成产品，打印过程中，可旋转鸭嘴形打印挤出头(21)在一定温度下将具有流动性的金属浆料按照计算机设定的轨迹和速度挤出，熔道的铁磁性材料在磁场的作用下迅速移动，在熔道内组分连续变化，改变运动磁场的磁场强弱、运动速度以及磁场作用次数可获得不同程度梯度的零件，在任意空间位置梯度程度可控，且通过改变可旋转鸭嘴形打印挤出头的旋转角度，得到各种厚度的坯体，运动磁场是电磁铁或永磁铁产生的磁场；
四：将坯体内的高分子粘结剂进行脱除，首先是溶剂脱脂，将坯体放入三氯乙烯溶液中，溶液的温度为30-50℃，脱脂8-12h，干燥后，然后将坯体埋入三氧化二铝粉末中，整体放入真空气氛炉内进行热处理以及预烧结，温度上升速度为1～3℃/min，温度为500-700℃，时间为3-4h；
五：烧结，将预烧结坯体放在真空气氛炉内继续加温，升温速度可控制在4-6℃/min，具体的温度和时间与烧结的金属材料的熔点有关，烧结完成后，得到所需的梯度金属零件。
2.根据权利要求1所述的一种金属材料梯度零件的3D打印成型方法，其特征在于：所述铁磁性金属粉末材质为Fe或Ni或Co或Gd。
3.根据权利要求1所述的一种金属材料梯度零件的3D打印成型方法，其特征在于：所述非铁磁性金属粉末材质为Al或Cu或Mg或Ti。
4.一种金属材料梯度零件的3D打印成型装置，其特征在于：是由XY方向数控移动装置(1)、数控定量材料挤出机构(2)、磁场及移动控制装置(3)和成型平台(4)组成，成型平台(4)固定设置在地面上，数控定量材料挤出机构(2)设置在XY方向数控移动装置(1)上，磁场及移动控制装置(3)设置在成型平台(4)于XY方向数控移动装置(1)之间。
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