CN107377970B - 一种低成本金属3d打印方法 - Google Patents

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Abstract

一种低成本金属3D打印方法，步骤：预混液制备；配制金属浆料；数据建模；3D打印；排脂工艺；脱碳工艺；烧结工艺。本发明的优点在于：1.金属浆料制作简单，易于成型，对于激光器的功率要求也降低，节省了大量成本；2.简化了生产工艺，树脂易于成型，缩短了整个金属件的制作周期；3.对原料的要求降低，工序不再繁琐，省去了筛粉的成本和时间。本发明在保证质量的前提下，大大降低了生产成本和生产周期，提高了生产效率，具有广阔的应用前景。

Description

一种低成本金属3D打印方法
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，尤其涉及一种低成本金属3D打印方法。
背景技术
3D打印(3DP)即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。近年来，随着3D打印技术的快速发展，其技术已给制造业注入了新的活力。3D打印技术可以实现高复杂和高性能产品的快速开发和生产；可以实现小批量、小批次、复杂性、特异件的重复化生产，创造出高的附加值。
目前3D打印金属材料主要采用的方法是选择性激光熔融(SLM)和选择性激光烧结(SLS)3D打印技术打印金属材质3D模型。然而，目前3D打印金属成本相对比较高，一方面，3D打印设备非常昂贵，需要配置高功率激光、电子束等加热系统将粉末融化；另一方面，特种金属粉末原料成本昂贵，为了保证成型均匀性，所用原料金属粉末要求非常高，无论是颗粒的均匀性和粒径，球形度好，流动性优异，粒径细且均匀的粉末，且成型过程耗时长、效率低，从而使单间产品的生产成本居高不下。所以迫切需要研发一种低成本金属3D打印方法。
目前，关于3D打印设备及打印方法的研究很多，但是对于如何降低3D金属打印成本的研究却很少。经查，现有专利号为CN201510512664.0的中国专利《一种3D打印机、3D打印方法及金属浆料的制备方法》，其中关于金属浆料的制备方法：筛选原始金属原料，获得尺寸小于300目的金属粉末；将蜡和所述金属粉末混合为混合物；加热所述混合物；在所述混合物中加入硬脂酸，并调匀，获得所述金属浆料。所用方法利用热固化原理进行打印，打印速度慢，精度差。
还有，专利号为CN201610073952.5的中国专利《一种3D打印金属PA-12复合材料及其制备方法》，所述的3D打印金属PA-12复合材料，由下述重量份的原料制得：铜粉250-330份，PA-12尼龙材料670-750份，偶联剂2-5份，分散剂5-15份，润滑剂5-10份，增韧剂18-25份；它是针对PA-12的收缩率较大，成型过程中易产生翘曲变形而在配方上进行改进，是塑料与金属混合的浆料，打印出来的也是塑料与金属混合体部件，与我们最后得到的纯金属部件相比，在性能上差距很大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低成本金属3D打印方法，具有工艺简单、成型容易、制作周期短、原料要求低、成本低的主要特点。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种低成本金属3D打印方法，其特征在于包括以下步骤：
1)预混液准备：将光敏树脂类有机物中的一种或多种进行混合搅拌，得到黏度为500～1200cP的混合液体，在混合液体中加入液态石蜡，液态石蜡加入量为总混合液体的40-60vol％，加入1～3wt％的光照引发剂，混合液在40～60℃下搅拌2～10小时，得到配制浆料所需的预混液；
2)配置金属浆料：将预混液与粒径1～20um之间的球形金属粉末混合，金属粉占总体积的45％-65％，加入占金属粉质量分数1～3wt％的分散剂，球磨20～40小时，得到混合浆料；
3)将上述浆料置于密闭容器中，保持容器气压0.4～0.6bar，搅拌20～40小时除去气泡；
4)数据建模：使用三维造型软件，设计具有不同形状的零件模型，对零件模型进行切片处理，规划出每层激光扫描的路径，层厚在25um～100um之间；
5)3D打印：将步骤3)制备的浆料放置在料槽之中，调整浆料上表面至设定位置，用激光按预先设置的路径扫描，激光扫过的浆料被光固化成型并粘附在基板上，开始下一层成型过程，以此为循环，逐层成型直至完成整个零件的成型过程；
6)排脂工艺：成型零件在气氛炉，氩气气氛下加热至100～130℃，保温5～10小时，使小分子有机物挥发，再在氩气气氛下加热至250～280℃，保温15～20小时，使大分子有机物分解挥发，其间重复抽气与打气过程，排除炉膛内挥发出的有机物，随后加热至550～650℃，保持炉内氩气气氛，保温3～4小时，使金属粉产生颈联；
7)脱碳工艺：将排脂后的零件在真空中加热至600～650℃，随后通入的氧气-氩气混合气体，混合气体中氧气含量1～3％，保温0.5～2小时；
8)烧结工艺：将脱碳后的零件真空加热至金属熔点以下，保温2～6小时，获得致密的金属零件。
优选，所述光照引发剂可为2，4，6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦，加入量为混合液质量的1～3％。
优选，所述分散剂可为硬酯酸，加入量为金属粉质量的1～3％。
优选，所述步骤7)的氧气-氩气混合气体是指体积百分比为2％的氧气和98％的氩气。
优选，所述步骤8)的金属熔点以下是指100～300℃。
优选，所述光敏树脂类有机物是指聚甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯等中的一种或多种，但不仅限于这几种；
最后，所述球形金属粉末可为铝合金(7075、AlSi10Mg)、不锈钢(316、304)、钛合金(Ti6Al4V)等中的一种；但不仅限于这几种；
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、金属浆料制作工艺简单，大大降低了成本；
2、金属浆料易于成型，对于激光器的功率要求也降低，节省了大量成本；
3、简化了生产工艺，树脂易于成型，缩短了整个金属件的制作周期；
4、对金属粉原料的要求降低，工序不再繁琐，省去了大量筛粉的成本和时间。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种低成本金属3D打印方法，其特征在于包括以下步骤：
1)预混液准备：将光敏树脂类有机物如聚甲基丙烯酸甲酯(平均分子量800)与甲基丙烯酸甲酯2：3混合搅拌，得到黏度为750cP的混合液体，在混合液体中加入液态石蜡，加入量为总混合液体的50vol％，加入2wt％的2，4，6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦作为光照引发剂，混合液在50℃下搅拌6小时，得到配制浆料所需的预混液；
2)配置金属浆料：将预混液与粒径10～20um之间的铝合金7075球形金属粉末混合，铝合金7075占总体积的45％，加入占金属粉质量分数2wt％的硬酯酸作为分散剂，球磨24小时，得到混合浆料，将浆料置于密闭容器中，保持容器气压0.5bar，搅拌24小时除去气泡；
3)数据建模：使用三维造型软件，设计具有不同形状的零件模型，对零件模型进行切片处理，规划出每层激光扫描的路径，层厚在25um～100um之间；
4)3D打印：将步骤2)制备的浆料放置在料槽之中，调整浆料上表面至设定位置，用激光按预先设置的路径扫描，激光扫过的浆料被光固化成型并粘附在基板上，开始下一层成型过程，以此为循环，逐层成型直至完成整个零件的成型过程；
5)排脂工艺：成型零件在气氛炉，氩气气氛下加热至120℃，保温7小时，使小分有机物挥发，再在氩气气氛下加热至270℃，保温18小时，使大分子有机物分解挥发，其间重复抽气与打气过程，排除炉膛内挥发出的有机物，随后加热至600℃，保持炉内氩气气氛，保温3.5小时，使金属粉产生颈联；
6)脱碳工艺：将排脂后的零件在真空中加热至620℃，随后通入的氧气-氩气混合气体(体积百分比为2％的氧气和98％的氩气)，保温1小时；
7)烧结工艺：将脱碳后的零件真空加热至金属熔点(100～300℃)以下，保温4小时，获得致密的金属零件。
实施例2
一种低成本金属3D打印方法，其特征在于包括以下步骤：
1)预混液准备：将光敏树脂类有机物如甲基丙烯酸羟乙酯和聚乙二醇二丙烯酸酯(平均分子量400)7：3混合搅拌，得到黏度为500cP的混合液体，在混合液体中加入液态石蜡，加入量为总混合液体的55vol％，加入1wt％的2，4，6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦作为光照引发剂，混合液在55℃下搅拌5小时，得到配制浆料所需的预混液；
2)配置金属浆料：将预混液与粒径5～10um之间的不锈钢304球形金属粉末混合，不锈钢304占总体积的55％，加入占金属粉质量分数3wt％的硬酯酸作为分散剂，球磨26小时，得到混合浆料，将浆料置于密闭容器中，保持容器气压0.6bar，搅拌26小时除去气泡；
3)数据建模：使用三维造型软件，设计具有不同形状的零件模型，对零件模型进行切片处理，规划出每层激光扫描的路径，层厚在25um～100um之间；
4)3D打印：将步骤2)制备的浆料放置在料槽之中，调整浆料上表面至设定位置，用激光按预先设置的路径扫描，激光扫过的浆料被光固化成型并粘附在基板上，开始下一层成型过程，以此为循环，逐层成型直至完成整个零件的成型过程；
5)排脂工艺：成型零件在气氛炉，氩气气氛下加热至110℃，保温10小时，使小分有机物挥发，再在氩气气氛下加热至275℃，保温15小时，使大分子有机物分解挥发，其间重复抽气与打气过程，排除炉膛内挥发出的有机物，随后加热至650℃，保持炉内氩气气氛，保温3小时，使金属粉产生颈联；
6)脱碳工艺：将排脂后的零件在真空中加热至600℃，随后通入的氧气-氩气混合气体(体积百分比为2％的氧气和98％的氩气)，保温2小时；
7)烧结工艺：将脱碳后的零件真空加热至金属熔点(100～300℃)以下，保温6小时，获得致密的金属零件。
实施例3
一种低成本3D打印方法，其特征在于包括以下步骤：
1)预混液准备：将光敏树脂类有机物如甲基丙烯酸羟乙酯与丙烯酰胺1：1混合搅拌，得到黏度为1000cP的混合液体，在混合液体中加入液态石蜡，加入量为总混合液体的45vol％，加入3wt％的2，4，6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦作为光照引发剂，混合液在45℃下搅拌7小时，得到配制浆料所需的预混液；
2)配置金属浆料：将预混液与粒径1～5um之间的不锈钢316球形金属粉末混合，不锈钢316占总体积的60％，加入占金属粉质量分数1wt％的硬酯酸作为分散剂，球磨22小时，得到混合浆料，将浆料置于密闭容器中，保持容器气压0.4bar，搅拌22小时除去气泡；
3)数据建模：使用三维造型软件，设计具有不同形状的零件模型，对零件模型进行切片处理，规划出每层激光扫描的路径，层厚在25um～100um之间；
4)3D打印：将步骤2)制备的浆料放置在料槽之中，调整浆料上表面至设定位置，用激光按预先设置的路径扫描，激光扫过的浆料被光固化成型并粘附在基板上，开始下一层成型过程，以此为循环，逐层成型直至完成整个零件的成型过程；
5)排脂工艺：成型零件在气氛炉，氩气气氛下加热至130℃，保温5小时，使小分有机物挥发，再在氩气气氛下加热至265℃，保温20小时，使大分子有机物分解挥发，其间重复抽气与打气过程，排除炉膛内挥发出的有机物，随后加热至550℃，保持炉内氩气气氛，保温4小时，使金属粉产生颈联；
6)脱碳工艺：将排脂后的零件在真空中加热至650℃，随后通入的氧气-氩气混合气体(体积百分比为2％的氧气和98％的氩气)，保温0.5小时；
7)烧结工艺：将脱碳后的零件真空加热至金属熔点(100～300℃)以下，保温2小时，获得致密的金属零件。
实施例4
一种低成本3D打印方法，其特征在于包括以下步骤：
1)预混液准备：将光敏树脂类有机物如聚乙二醇二丙烯酸酯(平均分子量400)与液态石蜡1:1混合搅拌，得到黏度为1200cP的混合液体，在混合液体中加入液态石蜡，加入量为总混合液体的45vol％，加入3wt％的2，4，6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦作为光照引发剂，混合液在45℃下搅拌7小时，得到配制浆料所需的预混液；
2)配置金属浆料：将预混液与粒径10～15um之间的Ti6Al4V球形金属粉末混合，Ti6Al4V占总体积的55％，加入占金属粉质量分数1wt％的硬酯酸作为分散剂，球磨22小时，得到混合浆料，将浆料置于密闭容器中，保持容器气压0.4bar，搅拌40小时除去气泡；
3)数据建模：使用三维造型软件，设计具有不同形状的零件模型，对零件模型进行切片处理，规划出每层激光扫描的路径，层厚在25um～100um之间；
4)3D打印：将步骤2)制备的浆料放置在料槽之中，调整浆料上表面至设定位置，用激光按预先设置的路径扫描，激光扫过的浆料被光固化成型并粘附在基板上，开始下一层成型过程，以此为循环，逐层成型直至完成整个零件的成型过程；
5)排脂工艺：成型零件在气氛炉，氩气气氛下加热至130℃，保温5小时，使小分有机物挥发，再在氩气气氛下加热至265℃，保温20小时，使大分子有机物分解挥发，其间重复抽气与打气过程，排除炉膛内挥发出的有机物，随后加热至550℃，保持炉内氩气气氛，保温4小时，使金属粉产生颈联；
6)脱碳工艺：将排脂后的零件在真空中加热至650℃，随后通入的氧气-氩气混合气体(体积百分比为2％的氧气和98％的氩气)，保温2小时；
7)烧结工艺：将脱碳后的零件真空加热至金属熔点(100～300℃)以下，保温2小时，获得致密的金属零件。
以上各个实施例子打印出来致密的金属零件都符合设计制造要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明吧的保护范围。

Claims (7)

1.一种低成本金属3D打印方法，其特征在于包括以下步骤：
1)预混液准备：将光敏树脂类有机物中的一种或多种进行混合搅拌，得到黏度为500～1200cP的混合液体，在混合液体中加入液态石蜡，液态石蜡加入量为总混合液体的40-60vol％，加入占总混合液体的1～3wt％的光照引发剂，混合液在40～60℃下搅拌2～10小时，得到配制浆料所需的预混液；
2)配置金属浆料：将预混液与粒径1～20um之间的球形金属粉末混合，金属粉占总体积的45％-65％，加入占金属粉质量分数1～3(wt)％的分散剂，球磨20～40小时，得到混合浆料；
3)将上述浆料置于密闭容器中，保持容器气压0.4～0.6bar，搅拌20～40小时除去气泡；
4)数据建模：使用三维造型软件，设计具有不同形状的零件模型，对零件模型进行切片处理，规划出每层激光扫描的路径，层厚在25um～100um之间；
5)3D打印：将步骤3)制备的浆料放置在料槽之中，调整浆料上表面至设定位置，用激光按预先设置的路径扫描，激光扫过的浆料被光固化成型并粘附在基板上，开始下一层成型过程，以此为循环，逐层成型直至完成整个零件的成型过程；
6)排脂工艺：成型零件在气氛炉，氩气气氛下加热至100～130℃，保温5～10小时，使小分子有机物挥发，再在氩气气氛下加热至250～280℃，保温15～20小时，使大分子有机物分解挥发，其间重复抽气与打气过程，排除炉膛内挥发出的有机物，随后加热至550～650℃，保持炉内氩气气氛，保温3～4小时，使金属粉产生颈联；
7)脱碳工艺：将排脂后的零件在真空中加热至600～650℃，随后通入氧气-氩气混合气体，混合气体中氧气含量的体积分数为1～3％，保温0.5～2小时；
8)烧结工艺：将脱碳后的零件真空加热至金属熔点以下，保温2～6小时，获得致密的金属零件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述光照引发剂为2，4，6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦，加入量为混合液质量的1～3％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述分散剂为硬酯酸，加入量为金属粉质量的1～3％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤7)的氧气-氩气混合气体是指体积百分比为2％的氧气和98％的氩气。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤8)的金属熔点以下是指温度为100～300℃。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述光敏树脂类有机物是指聚甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述球形金属粉末为7075、AlSi10Mg的铝合金、316、304的不锈钢及Ti6Al4V的钛合金中的一种。
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