CN108405865A - 一种粉末材料的3d打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种粉末材料的3D打印方法，首先将打印陶瓷或金属工件所需粉末颗粒分散在溶液中，制成粉末分散均匀的3D打印料液；然后将配置得到的3D打印料液倒入储料槽中，因溶剂受光照加热而挥发，不参与零件的三维成型，仅用于调节料液的流动性，因此成型的层厚能够做得更薄；溶剂加热后完全挥发，粉末颗粒间彼此由析出的溶质包覆连接形成硬度较高的三维素坯，易于保持应有的形状，打印完成后便于取出；已经成型的部分整体浸泡在料液当中，坯件各处温度容易保持一致，可有效减少打印素坯的翘曲变形。由于料液的流动性受溶剂的调控，聚合物在此起填充和粘结作用，其含量相对于粉末的比例可以更少，较低的聚合物含量可减小素坯在烧结之后的收缩率。

Description

一种粉末材料的3D打印方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，特别涉及金属、陶瓷等材料的工件素坯3D打印方法。
背景技术
新型陶瓷成形工艺有两类形式，一类是依赖于模具，该工艺能够制造结构复杂的陶瓷零件，但是需要模具来使陶瓷浆料成形；另一类是将快速成形技术应用于陶瓷素坯的制造中。多种快速成形技术已成熟应用于陶瓷素坯成形，但仍然存在各种缺点和不足。选区激光烧结工艺制成的陶瓷坯体致密度低；熔融沉积成形工艺的难点在于陶瓷细丝的制造，微小结构的尺寸精度难以控制；分层实体制造工艺的缺点是成形精度较低；三维打印成形工艺的缺点在于难以制造致密的陶瓷零件；喷墨打印成形工艺的缺点在于所制陶瓷零件的致密度差，易导致陶瓷素坯在烧结过程中出现开裂或变形。金属材料同样可以采用先成形素坯，再经干燥、脱脂、烧结，制成金属制品，采用上述方法具有同样的特性。
其次，数字光处理技术目前在陶瓷和金属类少数材料的素坯制造中得到应用，为制造出尺寸相对较小，但精度高性能好的陶瓷、金属件给出了解决方案。该工艺利用紫外光对液态光敏树脂表面进行扫描，每次扫描都可形成一定厚度的薄层，从底部逐层堆积形成制品。成型制品具有尺寸精确度高，表面质量优良，可制作结构复杂的模型的特点。而通过这项工艺制造的素坯有效固体含量还不够高，导致烧结制成的成品收缩率仍比较大，另外其技术难度和制造成本也是极高的。
发明内容
本发明的目的是提供一种能克服上述缺陷、工艺简单、成本低廉且加工质量好的粉末材料的素坯3D打印成型方法，并使打印成型的零件中粉末具有更高的体积分数，能保证脱脂过程不易垮塌，烧结之后的固体收缩率有效降低。
为了达到上述目的，本发明利用光热蒸发溶剂的方法制备陶瓷或金属件的三维实体素坯，再结合烧结工艺制成致密的陶瓷或金属产品的生产。
本发明一种粉末材料3D打印方法步骤如下：
(1)打印前制备3D打印用液体原料，用水或易挥发性液体作为溶剂，加入能被该溶剂溶解的高聚物材料，在后续打印和烧结工艺中作为粉末颗粒的粘结剂，利用分散剂将打印陶瓷或金属工件所需的粉末颗粒分散在溶液中，制成粉末分散均匀的3D打印料液；
(2)打印时，先将配置得到的3D打印料液倒入储料槽中，升降台提升至一定高度，使成型基板距离料液的液面高度为一个打印层高；
(3)激光迅速在料液表面沿预设运动轨迹扫描工作截面，激光照射之处料液中易挥发性溶剂因为受热迅速蒸发，而粉末停留在原处，被析出固化的高聚物溶质所包裹、连接；
(4)一个工作截面打印成型之后，升降台在竖直方向移动向下移动，使上一个成型表面和液面间的距离重新达到一个层高，继续扫描成型下一个工作截面，如此层层叠加最终形成一个完整的三维素坯；
(5)工件的三维素坯打印完成后，升降台从储料槽中缓慢抬升，取出工件，通过脱脂、烧结等工艺，使素坯变成致密、高强度的三维零件。
本发明所用料液中的溶剂可以是水，也可以是其他流动性较好的易挥发性流体，和分散在料液中的粉末材料不发生化学反应。配置好的料液应具有良好的流动性，在激光照射下不可引发燃烧等化学反应。
本发明每一个打印层的层高一定，满足该厚度的料液被激光照射后该处所有溶剂都能迅速挥发。
本发明激光的功率和扫描速率的选择满足激光所到之处溶剂能全部挥发，溶质析出且不被分解。
本发明提供的粉末材料3D打印成型方法和现有技术相比，具有如下优点：
(1)在打印所使用的料液，因溶剂受光照加热而挥发，不参与零件的三维成型，仅用于调节料液的流动性，因此相比于传统光固化原料粘度更低，成型的层厚能够做得更薄；
(2)溶剂加热后完全挥发，打印层内和层间几乎不含有液态成分，粉末颗粒间彼此由析出的溶质包覆连接形成硬度较高的三维素坯，易于保持应有的形状，打印完成后便于取出，不会因抓取产生变形；
(3)利用激光局部加热，在加热成型之后，局部温度升高，储料槽中的液体会吸收该处的高温，并且已经成型的部分整体浸泡在料液当中，坯件各处温度容易保持一致，可有效减少打印素坯的翘曲变形。
(4)由于料液的流动性受溶剂的调控，而非熔融聚合物，聚合物在此起填充和粘结作用，其含量相对于粉末的比例可以更少，较低的聚合物含量可有效减小素坯在烧结之后的收缩率。
附图说明
图1是本发明一种粉末材料的3D打印方法所采用的装置示意图。
图2是单层固化过程局部放大图。
图3是单层固化过程的俯视图。
图中：1-储料槽，2-料液，3-激光器，4-工件，5-升降台，6-成型基板。
具体实施方式
本发明粉末材料的3D打印方法所采用的装置如图1所示，由储料槽1、料液2、激光器3、升降台5、成型基板6构成。用于打印的料液被存放在储料槽中，成型基板6和升降台5固定，用于成型并托举工件4，转动丝杠可随升降台5上下移动。工件4逐层自下而上打印，打印完成的部分被完全浸泡在料液2中。
本发明的方法是在流动性较好的易挥发性溶剂中添加固体粉末颗粒，利用分散剂使其分散均匀，添加能溶于溶剂的高聚物作为3D打印过程中的粉末粘结剂，制成固相分散均匀且流动性优良的3D打印料液2。打印之前将料液2存放在储料槽1中，控制升降台5的移动，使成型基板6与料液液面间的距离为一个层高，激光沿预定运动轨迹在料液液面照射，在此高度之间的料液因激光加热温度升高，激光所经之处，溶剂挥发，溶剂析出填充了粉末颗粒之间的间隙，使得工作截面中的粉末颗粒彼此之间紧密连接，如图2所示，未被扫描到的部分粉末颗粒仍保持悬浮状态。扫描一层完成后，升降台继续下降一个层高，激光再次扫描下一个工作截面，逐层叠加后，逐渐打印得到一个完整工件的素坯。最后抬升升降台5，使成型基板6移出液面之外，取下工件通过后续的脱脂烧结工艺便可得到高致密度的成品工件。

Claims (3)

1.一种粉末材料的3D打印方法，其特征在于：第一步，打印前制备3D打印用液体原料，用易挥发性液体作为溶剂，加入能被该溶剂溶解的高聚物材料，在后续打印和烧结工艺中作为粉末颗粒的粘结剂，利用分散剂将打印陶瓷或金属工件所需的粉末颗粒分散在溶液中，制成粉末分散均匀的3D打印料液；第二步，打印时，先将配置得到的3D打印料液倒入储料槽中，升降台提升至一定高度，使成型基板距离料液的液面高度为一个打印层高；第三步，激光迅速在料液表面沿预设运动轨迹扫描工作截面，激光照射之处料液中易挥发性溶剂因为受热迅速蒸发，而粉末停留在原处，被析出固化的高聚物溶质所包裹、连接；第四步，一个工作截面打印成型之后，升降台在竖直方向移动向下移动，使上一个成型表面和液面间的距离重新达到一个层高，继续扫描成型下一个工作截面，如此层层叠加最终形成一个完整的三维素坯；第五步，工件的三维素坯打印完成后，升降台从储料槽中缓慢抬升，取出工件，通过脱脂、烧结等工艺，使素坯变成三维零件。
2.根据权利要求1所述的一种粉末材料的3D打印方法，其特征在于：所用料液中的溶剂是水。
3.根据权利要求1所述的一种粉末材料的3D打印方法，其特征在于：三维素坯在成型过程中已经成型的部分整体浸泡在料液当中。
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