CN107297501B - 采用3d打印方式制备多孔金属泡沫的方法及打印设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属泡沫（又称泡沫金属、金属海绵、多孔金属）的制备技术领域，尤其涉及一种采用3D打印方式制备多孔金属泡沫的方法及3D打印设备。所述方法包括步骤：S1，均匀混合金属粉末、粘合剂和填充剂，得到适合3D打印的原料；S2，绘制产品的三维立体结构图，得到轮廓数据，并进行填充处理，生成扫描路径；S3，开启3D打印设备进行加工，得到设计的产品。原料中包括金属粉末和粘合剂，在铺设烧结过程中粘结剂发生气化、升华、固溶或分解，通过金属粉末的颗粒大小、粘合剂的种类及用量、粘合剂‑金属的相互作用得到不同平均孔隙尺寸的多孔金属泡沫。能够制备任意形状和尺寸的金属泡沫，加工方法简单、成本低、孔隙尺寸和孔隙率可控（可达到纳米级别）优势，广泛适用于各种金属及合金材料。

Description

采用3D打印方式制备多孔金属泡沫的方法及打印设备
技术领域
本发明涉及金属泡沫(又称泡沫金属、金属海绵、多孔金属)的制备技术领域，尤其涉及一种采用3D打印方式制备多孔金属泡沫的方法及3D打印设备。
背景技术
金属泡沫(又称泡沫金属、金属海绵、多孔金属)是指含有泡沫气孔的特种金属材料，是一种内部结构含有许多孔隙的新型功能材料，呈骨架结构或蜂窝状结构。其特性和用途与材料的高孔隙密切相关，多种金属或合金可制成金属泡沫。金属泡沫拥有密度小、孔隙率高、比表面积大、隔热性能好、隔音性能好以及能够吸收电磁波等一系列良好优点，常用于电子、通讯、冶金、机械、建筑、交通、航空航天、石油化工等领域。根据金属泡沫的特性，其具有多种特殊用途，如轻质结构材料，用于航空航天；用于做电极材料，可以提高电池容量；用于做催化剂，更易于高度分散；用于做消音材料，可以在使声音在材料内部发生散射、干涉，从而被气吸收；作为过滤材料，可以把金属泡沫制备成合适的形状后即可做过滤用。
金属泡沫的制备工艺不仅决定了金属泡沫材料的性能，也决定了它的潜在用途，传统制备方法主要有熔融金属发泡法、铸造法、烧结法、金属沉积法、溅射法等。一般来说，发泡法制备操作复杂、难以掌控；铸造法仅适用于低熔点的金属和合金；烧结法制备难以控制孔径尺寸和孔隙率；金属沉积法制备的金属泡沫孔隙率高且均匀，但是其工序繁琐，制备成本高；溅射法制备成本高、材料受限。鉴于上述，亟需一种简单、低成本，可用于多种金属和合金材料制备金属泡沫的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种容易控制金属泡沫的孔径尺寸和孔隙率的采用3D打印方式制备多孔金属泡沫的方法，以及采用该方法的3D打印设备。
本发明是这样实现的：一种采用3D打印方式制备多孔金属泡沫的方法，包括以下步骤：
S1，均匀混合金属粉末和粘合剂，得到适合3D打印的原料粉末或膏体；
S2，绘制产品的三维立体结构图，得到轮廓数据，并进行填充处理，生成扫描路径；
S3，开启3D打印设备进行加工，得到设计的三维立体结构产品；
其中，在步骤S3中，采用一次成型加工，铺设所需原料，加工热源根据整体扫描路径对原料进行烧结加工，得到设计的三维立体结构的产品；
或者采用逐点加工方式，铺设原料，加工热源根据扫描路径逐点对原料进行烧结加工，得到设计的三维立体结构的产品；
又或者采用逐线加工方式，铺设原料，加工热源根据扫描路径逐线对原料进行烧结加工，得到设计的三维立体结构的产品；
又或者采用逐层加工方式，首先铺设一层均匀厚度的原料，加工热源根据分层扫描路径对原料进行烧结，得到单层多孔金属泡沫，重复进行铺设烧结步骤，最后得到设计的三维立体结构的产品。
其中，在步骤S1之前，还包括步骤SO.1：选择金属粉末颗粒尺寸的步骤，金属粉末颗粒半径R通过以下关系式计算得出，Y＝ARn+B，其中A、B、n为常数，Y为金属泡沫的孔隙率。
其中，在步骤S1之前，还包括步骤SO.2：计算粘合剂与金属粉末质量比例X的步骤，粘合剂与金属粉末质量比例X通过以下关系式计算得出，D＝aXm+b，其中a、b、m为常数，D为金属泡沫的孔隙直径。
其中，所述金属粉末为不锈钢、铜、铝、铁、钛、镍钛合金、铜镍合金中的一种或多种，所述金属粉末的颗粒直径为1nm-1mm，所述铺粉厚度为1nm-1cm。
其中，所述金属粉末采用纳米级别的球型粉末，颗粒直径为小于100nm。
其中，所述粘合剂材料为树脂材料、光刻胶或者为有机金属化合物中的至少一种。
更优选地，所述树脂材料为具有热塑性的醇溶性树脂材料。
其中，所述原料中还包括填充剂，所述填充剂为高分子材料。
更优选地，所述填充剂为氯化铵或甲基纤维素中的至少一种。
其中，所述加工热源为激光、电磁波、太赫兹波、感应加热或电磁加热中的至少一种。
其中，所述激光热源为频率、脉宽可调节的激光热源，所述激光热源采用逐点、逐线、逐层或一次成型对原料进行烧结。
本发明的另一种技术方案为：采用上述方法的3D打印设备，包括工作台、控制机构、送料机构、铺料机构、加工热源和用于实时监测加工过程的CCD相机。
本发明的有益效果为：本发明所述方法利用3D打印技术，原料中包括金属粉末和粘合剂，在铺设烧结过程中粘合剂发生升华、溶解、固溶或分解。通过金属粉末的颗粒大小、粘合剂的种类及用量得到不同孔径和孔隙尺寸的多孔金属泡沫、金属滤网或金属块材；加工简单、成本低、无污染，孔径及孔隙尺寸可达到纳米级别且实现精确控制，广泛适用于各种金属材料，通过该方法制备的金属泡沫性能及结构优异，可以很好地应用于生物医疗(消毒、防毒面具、口罩等)、清洁环保(清洗、吸油、过滤等)、新能源(电池微电极、半渗透膜等)、国防、航空航天等领域。
附图说明
图1是本发明所述采用3D打印方式制备多孔金属泡沫的方法的流程图；
图2是本发明所述3D打印设备的原理图。
其中，1、工作台；2、控制机构；3、送料机构；4、铺料机构；5、加工热源；6、CCD相机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
作为本发明所述采用3D打印方式制备多孔金属泡沫的方法实施例，如图1所示，包括以下步骤：S1，均匀混合金属粉末和粘合剂，得到适合3D打印的原料粉末；
S2，绘制产品的三维立体结构图，得到轮廓数据，并进行填充处理，生成扫描路径；
S3，开启3D打印设备进行加工，得到设计的三维立体结构产品；
其中，在步骤S3中，采用一次成型加工，铺设所需原料，加工热源根据整体扫描路径对原料进行烧结加工，得到设计的三维立体结构的产品；
或者采用逐点加工方式，铺设原料，加工热源根据扫描路径逐点对原料进行烧结加工，得到设计的三维立体结构的产品；
又或者采用逐线加工方式，铺设原料，加工热源根据扫描路径逐线对原料进行烧结加工，得到设计的三维立体结构的产品；
又或者采用逐层加工方式，首先铺设一层均匀厚度的原料，加工热源根据分层扫描路径对原料进行烧结，得到单层多孔金属泡沫，重复进行铺设烧结步骤，最后得到设计的三维立体结构的产品。
本发明所述方法利用3D打印技术，原料中包括金属粉末和粘合剂，在铺设烧结过程中粘合剂发生升华、溶解、固溶或分解。通过金属粉末的颗粒大小、粘合剂的种类及用量得到不同孔径和孔隙尺寸的多孔金属泡沫、金属滤网或金属块材；加工简单、成本低、无污染，孔径及孔隙尺寸可达到纳米级别且实现精确控制，广泛适用于各种金属材料，通过该方法制备的金属泡沫性能及结构优异，可以很好地应用于生物医疗(消毒、防毒面具、口罩等)、清洁环保(清洗、吸油、过滤等)、新能源(电池微电极、半渗透膜等)、国防、航空航天等领域。
在步骤S3中，3D打印设备的成型加工方式有多种，具体描述以下四类：第一类，采用一次成型加工，铺设所需原料粉末，加工热源根据整体扫描路径对原料粉末进行烧结加工，得到设计的三维立体结构的产品；第二类，采用逐点加工方式，铺设原料粉末，加工热源根据扫描路径逐点对原料粉末进行烧结加工，得到设计的三维立体结构的产品；第三类，采用逐线加工方式，铺设原料粉末，加工热源根据扫描路径逐线对原料粉末进行烧结加工，得到设计的三维立体结构的产品；第四类，首先铺设一层均匀厚度的原料粉末，加工热源根据分层扫描路径对原料粉末进行烧结，得到单层多孔金属泡沫，重复进行铺粉烧结步骤，最后得到设计的三维立体结构的产品。根据金属粉末的熔点和产品的体积、重量和形状，以及粘合剂的类型及比重，综合考量，进行选择。也可以在同一个产品中应用多种成型加工方式。
在本实施例中，在步骤S1之前，还包括步骤S0.1：选择金属粉末颗粒尺寸的步骤，金属粉末颗粒半径R通过以下关系式计算得出，Y＝ARn+B，其中A、B、n为常数，Y为金属泡沫的孔隙率。本关系式是在金属粉末颗粒大小、铺粉厚度一定的情况下得出的。
在本实施例中，在步骤S1之前，还包括步骤S0.2：计算粘合剂与金属粉末质量比例X的步骤，粘合剂与金属粉末质量比例通过以下关系式计算得出，D＝aXm+b，其中a、b、m为常数，D为金属泡沫的孔隙直径。本关系式是在金属粉末颗粒大小、铺粉厚度一定的情况下得出的。
在发明中，所述方法可以应用在各种金属粉末上具有普遍性，可以为金属粉末，也可以为合金金属粉末。所述金属粉末包括但不限于不锈钢、铜、铝、铁、钛、镍钛合金、铜镍合金中的一种或多种，根据加工需求，所述金属粉末的颗粒直径为1nm-1mm，所述铺粉厚度为1nm-1cm；粘合剂可以使粉末颗粒更好的粘合在一起，所述粘合剂材料可以为树脂材料、光刻胶或者为有机金属化合物中的至少一种；所述加工热源可以为激光、电磁波、太赫兹波、感应加热或电磁加热中的至少一种。对于熔点较高，或者在空气中加热易氧化的金属粉末，需要在真空或惰性气体环境下打印烧结成型。
但是，如果要加工纳米级别的孔径及孔隙尺寸，且要实现3D打印的精确控制，就需要选择特殊的金属粉末，本发明人发现首先首选金属粉末的颗粒要足够小(直径一般小于100nm)，且所述金属粉末为纳米级别的球型粉末时，方可实现纳米级别的精确控制。另外在纳米级别的3D打印的精确控制高要求下，粘合剂材料也变得非常重要，当粘合剂材料为具有热塑性的醇溶性树脂材料或者为有机金属化合物中的至少一种时，比如丙烯酸树脂，性能稳定，加工成型效果好。除了粘合剂材料，在所述原料粉末中还可以增加填充剂，所述填充剂优选高分子材料，比如氯化铵或甲基纤维素，填充剂可以提高材料硬度，得到网状结构。再另外，对加工热源的要求也会更高，优选激光为加工热源，激光热源优选为频率、脉宽可调节的激光热源，激光波长为200-10800nm，脉宽为fs-ms级别可调，甚至可以是连续激光器。所述激光热源采用逐点、逐线、逐层或一次成型对原料粉末进行烧结。
在本发明中，在步骤S3之后，还可以增加步骤S4:对产品进行加热成型处理，有时逐点、逐线、逐层打印出来的产品层与层之间粘接强度、顶部的强度以及特殊的小面积的局部特征的强度可能不能全部达到要求，此时对烧结后的产品进行再次的加热成型处理，则可增加整体及局部特征的强度。此处仍可以采用激光热源，参数优选频率小于1MKHz，脉宽小于1ms的低频短脉宽激光。
在本发明中，在步骤S3中，3D打印设备上的CCD相机对加工过程实时监测，并利用自动检测程序进行过程监控，一旦出现异常，可以报警处理，甚至直接暂停打印，等待人工排除问题，也可以根据自动检测程序，动态调整加工热源的参数以达到打印要求。
在本发明中，当均匀混合金属粉末和粘合剂，得到适合3D打印的原料膏体时，则需要相应的可以打印膏体材料的3D打印进行打印工作。
作为本发明采用上述方法的3D打印设备的实施例，如图2所示，包括工作台1、控制机构2、送料机构3、铺料机构4、加工热源5和用于实时监测加工过程的CCD相机6。所述3D打印设备可以打印多种材料、多种尺寸孔径及孔隙率的金属泡沫，尤其可达到纳米级别且实现精确控制。CCD相机对加工过程实时监测，并利用自动检测程序进行过程监控，一旦出现异常，可以报警处理，甚至直接暂停打印，等待人工排除问题，也可以根据自动检测程序，动态调整加工热源的参数以达到打印要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用3D打印方式制备多孔金属泡沫的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，均匀混合金属粉末和粘合剂，得到适合3D打印的原料粉末或膏体；
S2，绘制产品的三维立体结构图，得到轮廓数据，并进行填充处理，生成扫描路径；
S3，开启3D打印设备进行加工，得到设计的三维立体结构产品；
其中，在步骤S3中，采用一次成型加工，铺设所需原料，加工热源根据整体扫描路径对原料进行烧结加工，得到设计的三维立体结构的产品；
或者采用逐点加工方式，铺设原料，加工热源根据扫描路径逐点对原料进行烧结加工，得到设计的三维立体结构的产品；
又或者采用逐线加工方式，铺设原料，加工热源根据扫描路径逐线对原料进行烧结加工，得到设计的三维立体结构的产品；
又或者采用逐层加工方式，首先铺设一层均匀厚度的原料，加工热源根据分层扫描路径对原料进行烧结，得到单层多孔金属泡沫，重复进行铺设烧结步骤，最后得到设计的三维立体结构的产品；
在步骤S1之前，还包括步骤SO.1：选择金属粉末颗粒尺寸的步骤，金属粉末颗粒半径R通过以下关系式计算得出，Y＝ARn+B，其中A、B、n为常数，Y为金属泡沫的孔隙率。
2.根据权利要求1所述采用3D打印方式制备多孔金属泡沫的方法，其特征在于，在步骤S1之前，还包括步骤SO.2：计算粘合剂与金属粉末质量比例X的步骤，粘合剂与金属粉末质量比例X通过以下关系式计算得出，D＝aXm+b，其中a、b、m为常数，D为金属泡沫的孔隙直径。
3.根据权利要求1所述采用3D打印方式制备多孔金属泡沫的方法，其特征在于，所述金属粉末为不锈钢、铜、铝、铁、钛、镍钛合金、铜镍合金中的一种或多种，所述金属粉末的颗粒直径为1nm-1mm，铺粉厚度为1nm-1cm。
4.根据权利要求1所述采用3D打印方式制备多孔金属泡沫的方法，其特征在于，所述金属粉末采用纳米级别的球型粉末，颗粒直径为小于100nm。
5.根据权利要求1所述采用3D打印方式制备多孔金属泡沫的方法，其特征在于，所述粘合剂材料为树脂材料、光刻胶或者为有机金属化合物中的至少一种。
6.根据权利要求5所述采用3D打印方式制备多孔金属泡沫的方法，其特征在于，所述树脂材料为具有热塑性的醇溶性树脂材料。
7.根据权利要求1所述采用3D打印方式制备多孔金属泡沫的方法，其特征在于，所述原料中还包括填充剂，所述填充剂为高分子材料。
8.根据权利要求7所述采用3D打印方式制备多孔金属泡沫的方法，其特征在于，所述填充剂为甲基纤维素。
9.根据权利要求1所述采用3D打印方式制备多孔金属泡沫的方法，其特征在于，所述加工热源为激光、太赫兹波或电磁加热中的至少一种。
10.根据权利要求9所述采用3D打印方式制备多孔金属泡沫的方法，其特征在于，所述激光热源为频率、脉宽可调节的激光热源，所述激光热源采用逐点、逐线、逐层或一次成型对原料进行烧结。
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