CN108655407A - 一种超细颗粒载液喷射微波烧结成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超细颗粒载液喷射微波烧结成形方法。包括如下步骤：通过三维软件建立待打印零件的实体三维模型和工艺支撑结构的三维模型；利用切片软件对三维模型进行切片，设定制造参数，并编制工艺控制程序；将金属粉末与分散剂按比例混合均匀，形成金属喷射液，置入金属喷射罐内；将支撑材料置入支撑喷射灌内；按照设定的工艺控制程序，通过多喷射头分别将金属喷射液和支撑材料逐层喷射至成形区的基板上，制造成形零件；将成形零件置于支撑材料的熔点以上的温度，熔化去除支撑；通过微波升温至900~1300℃，将处理后的打印零件烧结成型；将烧结成型的零件进行后处理，获得最终成品零件。具有清洁安全，并可以保证零件各方面的均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及一种超细颗粒载液喷射微波烧结成形方法，属于3D打印技术领域。
背景技术
目前金属3D打印快速成型技术主要包括选区激光熔化成型（SLM）、选择性激光烧结（SLS）、激光熔覆成型（LCF）和激光沉积成型（LDM）技术等，因其能胜任复杂结构一体快速成形的特点，已广泛应用在航空航天、军事、医学、工业造型、机械制造、建筑、影视、家电、轻工、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域。
然而，上述3D打印激光成形技术都需要借助激光作为金属熔融或烧结的能量源，成形方式为层层烧结，成形零件纵向与横向性能差异性较大。此外，上述3D打印激光成型技术中，由于采用的成型材料都为粉体材料，粉体进入成型仓后，由于粉体的流动性大，使得粉体打印材料常常会分散至整个成型仓，整个成型仓内充满粉体打印材料不仅会导致粉体材料浪费严重，而且打印完成后，还需要清理成型仓内四处散落的粉体材料，存在清理困难，费时费力的问题。
除了上述问题以外，现有技术中的3D打印激光成型技术中，对于需要支撑结构的零件，因为需要与3D打印在相同工艺条件下成型，支撑结构常常需要采用与待打印的粉体原料同材质的材料建立支撑，例如在SLM和SLS技术，而由于支撑结构在待打印零件的后续处理过程中是需要去除的，支撑结构部分的原料使用也会造成很大浪费，如果可以采用其它成型工艺，使得支撑材料可以选择成本更低的、与待打印零件不同的材料，这样就可以大大节省3D打印的成本。上述金属3D打印快速成型技术中也有成形零件精度较差、需要二次加工（LCF和LDM技术）等缺点。
而本发明所采用的超细颗粒载液喷射微波烧结成形是一种低成本、高效率、高精度的成型技术，无需激光能源，更无需采用同材质粉末将成形仓填满和建立同材质支撑，且成形产品光洁度高。此技术一旦上市，必将颠覆工业级金属3D打印领域。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种超细颗粒载液喷射微波烧结成形方法，包括如下步骤：
S1.通过三维软件建立待打印零件的实体三维模型和工艺支撑结构的三维模型；
S2.利用切片软件对三维模型进行切片，设定制造参数，并编制工艺控制程序；
S3.将金属粉末与分散剂按比例混合均匀，形成金属喷射液，置入金属喷射罐内；将支撑材料置入支撑喷射灌内；
S4.按照设定的工艺控制程序，通过多喷射头分别将金属喷射液和支撑材料逐层喷射至成型区的基板上，制造待打印零件；
S5.将步骤S4中的待打印零件置于支撑材料的熔点以上的温度下，熔化去支撑；
S6. 通过微波升温至900~1300℃，将步骤S5中处理后的待打印零件烧结成型；
S7.将步骤S6中烧结成型的零件进行后处理，获得最终成品零件。
进一步地，所述步骤S3中，所述金属粉末与分散剂添加量的质量比为（92~75）: （8~25）。
进一步地，所述金属粉末的平均粒径为0.002 mm~0.015 mm。
进一步地，所述金属粉末为AlSi10Mg、TA15、TC4、GH3030、GH3536、GH3625或GH4169中的任意一种。
进一步地，所述分散剂为聚乙二醇200或聚乙二醇400。
进一步地，所述支撑材料为平均粒径为10~20微米的聚苯硫醚或聚醚醚酮。
进一步地，所述步骤S4中，所述工艺控制程序如下：喷射功率为60 w~400 w，喷射速度为1 m/s~7 m/s，切片层厚为0.001 mm~0.02 mm。
进一步地，所述步骤S7中的后处理步骤包括：将零件连同基板一同进行热处理；将热处理后的零件从基板切割分离；将切割面进行表面处理，获得最终成品。
进一步优选地，所述超细颗粒载液喷射微波烧结成形方法的增材制造方法，包括如下步骤：
S1.通过三维软件建立待打印零件的实体三维模型和工艺支撑结构的三维模型；
S2.利用切片软件对三维模型进行切片，设定制造参数，编制工艺控制程序；
S3.将平均粒径为0.01 mm的金属粉末TC4与分散剂聚乙二醇400按质量比80:20混合均匀，形成金属喷射液，置入金属喷射罐内；将支撑材料聚苯硫醚置入支撑喷射灌内；
S4.按照设定的工艺控制程序：喷射功率为200 w，喷射速度为3.5 m/s，切片层厚为0.01 mm，通过多喷射头分别将金属喷射液和支撑材料逐层喷射至成型区的基板上，制造待打印零件；
S5. 通过微波升温至350℃，使步骤将步骤S4中的待打印零件熔化去支撑；
S6. 通过微波升温至1260℃，使步骤S5中处理后的待打印零件烧结成型；
S7.将步骤S6中烧结成型的零件在微波作用下加热至950℃，风冷，进行固溶热处理，将热处理后的零件从基板切割分离；将切割面进行表面处理，获得最终成品零件。
采用上述技术方案，本发明所产生的有益效果在于：
（1）本发明所述超细颗粒载液喷射微波烧结成型技术，这种新技术的特点之一就是能使用普通的喷墨打印头作为工具。其次则是无需借助任何外力即可通过专门的技术融化去除支撑结构，与普通的选择性激光烧结（SLS）金属3D打印工艺需要以同样的材料建立支撑相比不但更容易实现，能显著减少浪费，从而降低成本，而且还能给予设计师更大的自由，因为它是通过融化去除，所以理论上可以无限添加。此外，本申请所述微波烧结成形方式为对整体成形零件进行烧结，与现有技术中所述激光打印的层层烧结成形方式相比，激光打印成形零件纵向与横向性能差异性较大，而本申请所述微波烧结成形方式可以保证零件性能各方向的均匀性，通过这种新技术打印出来的金属部件与其它金属3D打印技术相比，不但更加清洁安全，还能实现更强的一致性，在炉内烧结完整的组件可以保证零件各方面的均匀性。
（2）本发明所述超细颗粒载液喷射微波烧结成型技术，尤其是选用本发明所述特定金属粉末与特定分散剂，例如，金属粉末选择AlSi10Mg、TA15、TC4、GH3030、GH3536、GH3625或GH4169中的任意一种时，特定分散剂选择聚乙二醇200或聚乙二醇400，进一步选择该特定金属粉末与该特定分散剂的添加量的质量比为（92~75）: （8~25），制备得到的金属喷射液具有最佳的喷射效果，金属粉末与分散剂的喷射速度均匀，成形结构精确，而且喷射成形时，该分散液不会对成形结构产生任何不良影响，尤其是进一步选择所述支撑材料为平均粒径10~20微米的聚苯硫醚或聚醚醚酮时，在加工工艺条件为：喷射功率为60 w~400w，喷射速度为1 m/s~7 m/s，切片层厚为0.001 mm~0.02 mm下，制造的零件具有结构精确的优点，在支撑材料的熔点以上的温度下，熔化去支撑时，选用的该支撑材料极易去除，去除过程中不会影响零件的结构，然后再通过微波升温至900~1300℃烧结成形零部件，在本发明所述特定材料、特殊工艺条件下制备得到的零部件具有零件性能各方向的均匀一致，零件的抗拉强度、屈服强度、断后延伸率，断口收缩率等可以达到激光打印制备得到的零件性能，并且由于支撑材料不用选择零件本体材料，使得3D打印零件的成本大大降低，本发明所述方法完全可以替代激光打印方法，具有突出的显著效果。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明中超细颗粒载液喷射微波烧结成形的装置图；
1．微波成型仓 ；2.基板；3.待打印零件实体；4.工艺支撑结构；5. 金属喷射液；6. 金属喷射罐；7. 支撑材料；8.喷射头;9. 支撑喷射灌。
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：
本发明提供一种超细颗粒载液喷射微波烧结成形方法，具体包括如下步骤：
S1.通过三维软件建立待打印零件实体3的三维模型和工艺支撑结构4的三维模型；
S2.利用切片软件对三维模型进行切片，设定制造参数，并编制工艺控制程序；
S3.将金属粉末与分散剂按比例混合均匀，形成金属喷射液，置入金属喷射罐6内；将支撑材料置入支撑喷射灌9内；
S4.按照设定的工艺控制程序，通过多喷射头8分别将金属喷射液5和支撑材料7逐层喷射至微波成型仓1内的加热基板2上，制造待打印零件；
S5.将步骤S4中的待打印零件置于支撑材料的熔点以上的温度下，熔化去支撑；
S6. 在微波成型仓1内通过微波升温至900~1300℃，将步骤S5中处理后的待打印零件烧结成型；
S7.将步骤S6中烧结成型的零件进行后处理，获得最终成品零件。
具体的实施方式如以下实施例所述：
实施例1：
采用本实施例所述制备方法制备图1所示零件，具体包括如下步骤：
S1.通过三维软件建立待打印零件的实体三维模型和工艺支撑结构的三维模型；
S2.利用切片软件对三维模型进行切片，设定制造参数，编制工艺控制程序；
S3.将平均粒径为0.01 mm的金属粉末TC4与分散剂聚乙二醇400 （PEG 400）按比例80:20混合均匀，形成金属喷射液，置入金属喷射罐内；将平均粒径为0.01mm的支撑材料聚苯硫醚（PPS）置入支撑喷射灌内；
S4.按照设定的工艺控制程序：喷射功率为200 w，喷射速度为3.5 m/s，切片层厚为0.01 mm，通过多喷射头分别将金属喷射液和支撑材料逐层喷射至成型区的基板上，制造待打印零件；
S5.将步骤S4中的待打印零件置于350℃下，熔化去支撑；
S6.将步骤S5中处理后的待打印零件置于1260℃下，烧结成型；
S7.将步骤S6中烧结成型的零件加热至950℃炉冷或风冷进行固溶处理，获得最终成品零件。
实施例2：
作为上述实施例的另一种实施方式，本实施例中采用如下制备方法制备图1所示零件，具体包括如下步骤：
S1.通过三维软件建立待打印零件的实体三维模型和工艺支撑结构的三维模型；
S2.利用切片软件对三维模型进行切片，设定制造参数，编制工艺控制程序；
S3.将平均粒径为0.007 mm的金属粉末TA15与分散剂聚乙二醇400 （PEG 400）按比例75:25混合均匀，形成金属喷射液，置入金属喷射罐内；将平均粒径为0.007mm的支撑材料聚苯硫醚（PPS）置入支撑喷射灌内；
S4.按照设定的工艺控制程序：喷射功率为175 w，喷射速度为3.0 m/s，切片层厚为0.01 mm，通过多喷射头分别将金属喷射液和支撑材料逐层喷射至成型区的基板上，制造待打印零件；
S5.将步骤S4中的待打印零件置于350℃下，熔化去支撑；
S6.将步骤S5中处理后的待打印零件置于1300℃下，烧结成型；
S7.将步骤S6中烧结成型的零件加热至850℃炉冷或风冷进行热处理，获得最终成品零件。
实施例3：
作为上述实施例的另一种实施方式，本实施例中采用如下制备方法制备图1所示零件，具体包括如下步骤：
S1.通过三维软件建立待打印零件的实体三维模型和工艺支撑结构的三维模型；
S2.利用切片软件对三维模型进行切片，设定制造参数，编制工艺控制程序；
S3.将平均粒径为0.015 mm的金属粉末GH3625与分散剂聚乙二醇400 （PEG 400）按比例90:10混合均匀，形成金属喷射液，置入金属喷射罐内；将平均粒径为0.014mm的支撑材料聚苯硫醚（PPS）置入支撑喷射灌内；
S4.按照设定的工艺控制程序：喷射功率为400 w，喷射速度为6 m/s，切片层厚为0.02mm，通过多喷射头分别将金属喷射液和支撑材料逐层喷射至成型区的基板上，制造待打印零件；
S5.将步骤S4中的待打印零件置于350℃下，熔化去支撑；
S6.将步骤S5中处理后的待打印零件置于1038℃下，烧结成型；
S7.将步骤S6中烧结成型的零件加热至1100℃氩气风冷进行固溶处理，获得最终成品零件。
实施例4：
作为上述实施例的另一种实施方式，本实施例中采用如下制备方法制备图1所示零件，具体包括如下步骤：
S1.通过三维软件建立待打印零件的实体三维模型和工艺支撑结构的三维模型；
S2.利用切片软件对三维模型进行切片，设定制造参数，编制工艺控制程序；
S3.将平均粒径为0.002 mm的金属粉末GH4169与分散剂聚乙二醇400 （PEG 400）按比例92:8混合均匀，形成金属喷射液，置入金属喷射罐内；将平均粒径为0.02 mm的支撑材料聚苯硫醚（PPS）置入支撑喷射灌内；
S4.按照设定的工艺控制程序：喷射功率为400 w，喷射速度为7 m/s，切片层厚为0.02mm，通过多喷射头分别将金属喷射液和支撑材料逐层喷射至成型区的基板上，制造待打印零件；
S5.将步骤S4中的待打印零件置于350℃下，熔化去支撑；
S6.将步骤S5中处理后的待打印零件置于1240℃下，烧结成型；
S7.将步骤S6中烧结成型的零件加热至980℃氩气风冷进行固溶处理和720℃保温8h及620℃保温8h时效处理，获得最终成品零件。
性能测试：
进一步地，本发明还对上述实施例1~4中制备得到的零件进行室温拉伸性能测试，测试方法按GB/T 228.1执行，测试结果如下：
由上述测试结果可知，本申请所述微波烧结成形方式为对整体成形零件进行烧结，与现有技术中所述激光打印的层层烧结成形方式相比，激光打印成形零件纵向与横向性能差异性较大，而本申请所述微波烧结成形方式可以保证零件性能各方向的均匀性，并且采用微波烧结成形方式制备得到的零件的各物理性能，如抗拉强度、屈服强度、断后延伸率，断口收缩率等可以达到激光打印制备得到的零件性能，完全可以替代激光打印方法，具有突出的显著效果。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (9)
1.一种超细颗粒载液喷射微波烧结成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.通过三维软件建立待打印零件的实体三维模型和工艺支撑结构的三维模型；
S2.利用切片软件对三维模型进行切片，设定制造参数，并编制工艺控制程序；
S3.将金属粉末与分散剂按比例混合均匀，形成金属喷射液，置入金属喷射罐内；将支撑材料置入支撑喷射灌内；
S4.按照设定的工艺控制程序，通过多喷射头分别将金属喷射液和支撑材料逐层喷射至成形区的基板上，制造成形零件；
S5.将步骤S4中的成形零件置于支撑材料的熔点以上的温度，熔化去除支撑；
S6. 通过微波升温至900~1300℃，将步骤S5中处理后的打印零件烧结成型；
S7.将步骤S6中烧结成型的零件进行后处理，获得最终成品零件。
2.根据权利要求1所述超细颗粒载液喷射微波烧结成形方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述金属粉末与分散剂添加量的质量比为（92~75）: （8~25）。
3.根据权利要求1或2所述超细颗粒载液喷射微波烧结成形方法，其特征在于，所述金属粉末的平均粒径为0.002 mm~0.015 mm。
4.根据权利要求1~3任一所述超细颗粒载液喷射微波烧结成形方法，其特征在于，所述金属粉末为AlSi10Mg、TA15、TC4、GH3030、GH3536、GH3625或GH4169中的任意一种。
5.根据权利要求1~4任一所述超细颗粒载液喷射微波烧结成形方法，其特征在于，所述分散剂为聚乙二醇200或聚乙二醇400。
6.根据权利要求1~5任一所述超细颗粒载液喷射微波烧结成形方法，其特征在于，所述支撑材料为平均粒径为0.007mm~0.020 mm的聚苯硫醚或聚醚醚酮。
7.根据权利要求1~6任一所述超细颗粒载液喷射微波烧结成形方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述工艺控制程序如下：喷射功率为60 w~400 w，喷射速度为1 m/s~7 m/s，切片层厚为0.001 mm~0.02 mm。
8.权利要求1~7任一所述超细颗粒载液喷射微波烧结成形方法的增材制造方法，其特征在于，所述步骤S7中的后处理步骤包括：将零件连同基板一同进行热处理；将热处理后的零件从基板切割分离；将切割面进行表面处理，获得最终成品。
9.根据权利要求1所述超细颗粒载液喷射微波烧结成形方法的增材制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.通过三维软件建立待打印零件的实体三维模型和工艺支撑结构的三维模型；
S2.利用切片软件对三维模型进行切片，设定制造参数，编制工艺控制程序；
S3.将平均粒径为0.01 mm的金属粉末TC4与分散剂聚乙二醇400按质量比80:20混合均匀，形成金属喷射液，置入金属喷射罐内；将支撑材料聚苯硫醚置入支撑喷射灌内；
S4.按照设定的工艺控制程序：喷射功率为200 w，喷射速度为3.5 m/s，切片层厚为0.01 mm，通过多喷射头分别将金属喷射液和支撑材料逐层喷射至成型区的基板上，制造待打印零件；
S5. 通过微波升温至350℃，使步骤将步骤S4中的待打印零件熔化去支撑；
S6. 通过微波升温至1260℃，使步骤S5中处理后的待打印零件烧结成型；
S7.将步骤S6中烧结成型的零件在微波作用下加热至950℃，风冷，进行固溶热处理，将热处理后的零件从基板切割分离；将切割面进行表面处理，获得最终成品零件。
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