CN107470626A - 一种3d打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种3D打印方法，所述3D打印方法包括如下步骤：步骤S1、将原材料和粘结剂通过熔融混炼制备3D打印原料，所述粘结剂为多组分粘结剂，所述多组分粘结剂包括主粘结剂和填充剂；步骤S2、将所述3D打印原料加热熔融后输送至3D打印头，由所述3D打印头打印出生坯；步骤S3、将所述生坯进行第一次脱脂，脱除所述填充剂并保留所述主粘结剂；步骤S4、将经过所述第一次脱脂后的生坯进行高温烧结收缩成型3D打印制品，在所述高温烧结过程中，所述第一次脱脂后的生坯经过第二次脱脂，脱除所述主粘结剂。本发明通过在第一次脱脂过程中保留主粘结剂，使制品在后续烧结过程中不易发生坍塌、变形或产生裂纹，提高了产品的性能。

Description

一种3D打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及一种3D打印方法。
背景技术
3D打印生产技术属于静成型增材制造技术的一种，其通过软件把计算机设计的三维零部件实体图分解为若干层平面切片，再经3D打印机打印输出，生产不同材质的异形零件。常用的低温热熔堆积成型法3D打印增材成型只能以PLA或ABS等热塑性高分子材料为原料来制备3D打印线材，进而打印生产各种模型产品；对金属材料或无机非金属材料进行3D打印时，一般以金属粉末或无机非金属粉末为原料，采用激光高温熔融层积法或选择性激光高温烧结法实现3D打印成型。
现有技术中为降低金属材料和无机非金属材料3D打印的生产成本，提出了热熔挤出成型技术，即通过低温将喂料熔融，使其具备流动性，并通过3D打印机打印生坯，然后在脱脂炉和烧结炉中批量生产，但是一般采用的方法都是将打印成型的生坯在脱脂炉中完全脱脂后再进行烧结导致制品烧结过程中很容易出现坍塌、变形或者产生裂纹等缺陷。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种3D打印方法，旨在提高3D打印制品的烧结时的强度，避免制品出现坍塌、变形或者产生裂纹等缺陷。
为实现上述目的，本发明提出的一种3D打印方法，包括如下步骤：
步骤S1、将原材料和粘结剂通过熔融混炼制备3D打印原料，所述粘结剂为多组分粘结剂，所述多组分粘结剂包括主粘结剂和填充剂；
步骤S2、将所述3D打印原料加热熔融后输送至3D打印头，由所述3D打印头打印出生坯；
步骤S3、将所述生坯进行第一次脱脂，脱除所述填充剂并保留所述主粘结剂；
步骤S4、将经过所述第一次脱脂后的生坯进行高温烧结收缩成型3D打印制品，在所述高温烧结过程中，所述第一次脱脂后的生坯经过第二次脱脂，脱除所述主粘结剂。
优选地，在步骤S3中，所述第一次脱脂在脱脂炉中进行，且通过催化脱脂、热脱脂及溶剂脱脂中的至少一种方法脱除所述填充剂。
优选地，所述催化脱脂在以浓硝酸为介质的催化脱脂炉中进行，脱脂温度为80-130℃，脱脂时间为5-8h。
优选地，在步骤S4中，所述第二次脱脂为热脱脂，与所述高温烧结一起在烧结炉中进行，烧结温度为1280-1320℃，烧结时间为18-24h。
优选地，所述主粘结剂包括聚丙烯、聚乙烯中的至少一种；；和/或，
所述填充剂包括石蜡、聚甲醛及聚乙烯醇中的至少一种。
优选地，所述多组分粘结剂还包括耦合剂，所述耦合剂包括硬脂酸、甘油中的至少一种。
优选地，多组分粘结剂中，所述主粘结剂占总质量分数的4.5-45％，所述填充剂占总质量分数的50-95％，所述耦合剂占总质量分数的0.5-5％。
优选地，在步骤S1中，所述粘接剂占所述原材料和所述粘接剂总体积分数的30-45％。
优选地，所述原材料包括金属材料和无机非金属材料。
优选地，所述金属材料包括不锈钢、钛及钛合金、铜及铜合金、铝及铝合金、高比重钨合金、硬质合金。
本发明技术方案中，通过将原材料与粘结剂混炼，然后经低温挤出给3D打印机送料，由打印头打印出生坯后，先经过第一次脱脂，脱除填充剂并保留主粘结剂，然后在烧结成型过程中再经过第二次脱脂，脱除主粘结剂，不仅降低了3D打印的加工温度，并且在第一次脱脂过程中保留主粘结剂，使制品在后续烧结过程中不易发生坍塌、变形或产生裂纹，提高了产品的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提供的3D打印方法的一实施例的流程示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
为降低金属材料3D打印的生产成本，现有技术提出了热熔挤出成型技术，即通过低温将喂料融，使其具备流动性，并通过3D打印机打印生坯，然后在脱脂炉和烧结炉中批量生产，但是一般采用的方法都是将打印成型的生坯在脱脂炉中完全脱脂后再进行烧结，导致制品烧结过程中很容易出现坍塌、变形或者产生裂纹的现象，鉴于此，本发明提出一种3D打印方法，使3D打印制品在烧结过程中不易出现坍塌、变形或产生裂纹等缺陷。
本发明提出一种3D打印方法，如图1所示，该3D打印方法包括：步骤S1、将原材料和粘结剂通过熔融混炼制备3D打印原料，所述粘结剂为多组分粘结剂，所述多组分粘结剂包括主粘结剂和填充剂；步骤S2、将所述3D打印原料加热熔融后输送至3D打印头，由所述3D打印头打印出生坯；步骤S3、将所述生坯进行第一次脱脂，脱除所述填充剂并保留所述主粘结剂；步骤S4、将经过所述第一次脱脂后的生坯进行高温烧结收缩成型3D打印制品，在所述高温烧结过程中，所述第一次脱脂后的生坯经过第二次脱脂，脱除所述主粘结剂。
通过将原材料与粘结剂混炼，然后经低温挤出给3D打印机送料，由打印头打印出生坯后，先经过第一次脱脂，脱除填充剂并保留主粘结剂，然后在烧结成型过程中再经过第二次脱脂，脱除主粘结剂，不仅降低了3D打印的加工温度，并且在第一次脱脂过程中保留主粘结剂，使制品在后续烧结过程中不易发生坍塌、变形或产生裂纹，提高了产品的性能。
所述原材料包括金属材料和无机非金属材料，所述金属材料包括不锈钢、钛及钛合金、铜及铜合金、铝及铝合金、高比重钨合金、硬质合金等，所述无机非金属材料包括陶瓷等，具体地，在本发明实施例中，以不锈钢17-4材质为例，其中，选用平均粒径为10μm的不锈钢17-4粉末为原材料。
所述多组分粘结剂包括主粘结剂和填充剂，其中，所述填充剂为在较低温度熔融分解或者溶剂分解或者催化脱除的高分子粘结剂，例如石蜡、聚甲醛、聚乙烯醇等；所述主粘结剂为较高温度下熔融分解脱除的高分子粘结剂，多为聚烯烃类的高分子材料，例如聚乙烯、聚丙烯等；所述多组分粘结剂还包括耦合剂，例如硬脂酸、甘油等；且在所述多组分粘结剂中，所述主粘结剂占总质量分数的4.5-45％，所述填充剂占总质量分数的50-95％，所述耦合剂占总质量分数的0.5-5％。具体地，在本发明实施例中，所述多组分粘结剂由石蜡、聚丙烯(PP)、聚乙烯醇(PEG)4000和硬脂酸(SA)组成，其中，石蜡、PP、PEG 4000和SA所占的质量分数分别为30％、30％、35％和5％。
在本发明实施例中，以上述不锈钢粉末和多组分粘结剂制备3D打印原料，并进行金属零部件的3D打印，具体步骤如下：
步骤S1，3D打印原料的制备，将上述不锈钢粉末和多组分粘结剂投入密炼机中进行熔融混炼，具体地，在本发明实施例中，不锈钢粉末和多组分粘结剂所占的体积百分比分别为53％和47％，选用的密炼机的体积容量为10L，混炼温度设置在220℃，混炼时间为12小时，当然，在理论上混炼温度只要高于所述多组分粘结剂的熔点，使不锈钢粉末与粘结剂的混合物能够熔融至具有一定流动性即可，而混炼时间只需要将不锈钢粉末与粘结剂充分混合均匀即可，混炼温度高则需要的混炼时间较短，混炼温度低则需要的混炼时间较长。另外，熔融混炼方式也不仅限于密炼，也可以通过开炼机或者单螺杆挤出机等对不锈钢粉末和热塑性成型粘结剂混合物进行熔融混炼。
然后将混炼所得的混合物进行造粒，得尺寸均匀的圆柱形粒料，即制得所述3D打印原料，当然，也可以根据实际需要制备丝状、棒状、管状等各种形状的3D打印原料。将多组分粘结剂与不锈钢粉末混炼制备混合料，使金属材料也可以进行低温送料，避免需要利用高温将金属粉末完全融化再进行3D打印，在降低加工温度的同时，也降低了生产成本。
步骤S2，3D打印成型生坯，首先利用3D打印软件在计算机中设计好要打印的三维金属零部件模型，设置打印参数，然后将上述制备的3D打印原料经加热熔融后输送至3D打印头，具体地，在本发明实施例中，所述3D打印所使用的3D打印机设有进料层和工作层，所述进料层包括加热区和送料区，所述3D打印原料在加热区加热成为具有流动性的熔融状态，然后经过送料区设置的单螺杆挤压输送至3D打印头，被挤压出3D打印头后冷却堆积成型零部件生坯。
其中，加热区的温度设置为180℃，3D打印头的温度设置在200℃，工作层的温度设置在100℃。在进料层使3D打印原料先熔融再输送至3D打印头进行打印生坯，可以使3D打印原料更顺畅的从3D打印头挤出，避免原料因在3D打印头停留的时间过短而来不及熔融，从而导致打印不流畅。
步骤S3，生坯第一次脱脂，将所述生坯进行第一次脱脂，脱除所述多组分粘结剂中的填充剂，所述第一次脱脂可选用溶剂脱脂、热脱脂和催化脱脂中的一种方法进行，在本发明实施例中，选用催化脱脂的方法对所述生坯进行第一次脱脂。具体地，将所述生坯放入催化脱脂炉中，以浓硝酸为介质，温度设置在130℃，脱脂时间设置为7h，脱除生坯中的填充剂并保留主粘结剂，此处保留主粘结剂可以使初步脱除粘结剂的生坯具有一定的强度，从而在后续处理过程中不易发生变形、产生裂纹等现象。
步骤S4，高温烧结成型，将经过所述第一次脱脂后的生坯进行高温烧结收缩成型3D打印制品，在所述高温烧结过程中，所述初步脱除粘结剂的生坯经第二次脱脂，脱除所述多组分粘结剂中的主粘结剂，所述第二次脱脂为热脱脂。所述高温烧结可通过真空烧结炉、气氛烧结炉或者压力烧结炉进行，在本发明实施例中，采用真空烧结炉进行真空高温烧结，具体地，先设置好烧结温度曲线，将液相烧结温度设置为1300℃，真空烧结时间设置为22h，然后将初步脱除粘结剂的生坯放入真空烧结炉中完成高温烧结，在真空高温烧结过程中，经过第一次脱脂后的生坯进一步完成第二次脱脂，脱除生坯中的主粘结剂，并在脱除主粘结剂的同时收缩成型得所述金属零部件产品使生坯收缩并完成致密化，得到具有一定机械性能的金属零部件产品。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种3D打印方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、将原材料和粘结剂通过熔融混炼制备3D打印原料，所述粘结剂为多组分粘结剂，所述多组分粘结剂包括主粘结剂和填充剂；
步骤S2、将所述3D打印原料加热熔融后输送至3D打印头，由所述3D打印头打印出生坯；
步骤S3、将所述生坯进行第一次脱脂，脱除所述填充剂并保留所述主粘结剂；
步骤S4、将经过所述第一次脱脂后的生坯进行高温烧结收缩成型3D打印制品，在所述高温烧结过程中，所述第一次脱脂后的生坯经过第二次脱脂，脱除所述主粘结剂。
2.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，在步骤S3中，所述第一次脱脂在脱脂炉中进行，且通过催化脱脂、热脱脂及溶剂脱脂中的至少一种方法脱除所述填充剂。
3.如权利要求2所述的3D打印方法，其特征在于，所述催化脱脂在以浓硝酸为介质的催化脱脂炉中进行，脱脂温度为80-130℃，脱脂时间为5-8h。
4.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，在步骤S4中，所述第二次脱脂为热脱脂，与所述高温烧结一起在烧结炉中进行，烧结温度为1280-1320℃，烧结时间为18-24h。
5.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述主粘结剂包括聚丙烯、聚乙烯中的至少一种；和/或，
所述填充剂包括石蜡、聚甲醛及聚乙烯醇中的至少一种。
6.如权利要求5所述的3D打印方法，其特征在于，所述多组分粘结剂还包括耦合剂，所述耦合剂包括硬脂酸、甘油中的至少一种。
7.如权利要求6所述的3D打印方法，其特征在于，所述多组分粘结剂中，所述主粘结剂占总质量分数的4.5-45％，所述填充剂占总质量分数的50-95％，所述耦合剂占总质量分数的0.5-5％。
8.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，在步骤S1中，所述粘接剂占所述原材料和所述粘接剂总体积分数的30-45％。
9.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述原材料包括金属材料和无机非金属材料。
10.如权利要求9所述的3D打印方法，其特征在于，所述金属材料包括不锈钢、钛及钛合金、铜及铜合金、铝及铝合金、高比重钨合金、硬质合金。
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