CN108687345A - 一种3d打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于3D打印技术领域，特别涉及一种3D打印方法，至少包括如下步骤：第一步，首层铺粉，在真空环境中，行走机构带动供粉箱运动，3D打印用复合材料从供粉箱中出粉至基板上，压实，刮平；第二步，通过基板下的加热元件预热首层铺粉，同时，采用电子束偏转扫描加热的方式从首层铺粉的上表面预热首层铺粉，然后，电子枪发射电子束使首层铺粉熔化；重复以上动作，铺设第2～N层复合材料粉，并预热、熔化，完成3D打印，其中，N＝5～30。相对于现有技术，本发明通过使用特别的复合材料，并在打印过程中采用预热程序，能够很好的解决吹粉问题，使得电子束3D打印能够正常进行。

Description

一种3D打印方法
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，特别涉及一种3D打印方法。
背景技术
上世纪80年代，3D打印技术诞生，与传统的“去除”的加工方法不停，3D打印是一种自下而上的制造方式，也被称作增材制造技术，即通过层层堆积的方式实现数字模型到实物的构建。由于其简便、快捷优势，自诞生以来，3D打印技术便受到了极大的关注并因此得到了快速发展。近几十年来，3D打印技术在工业设计、建筑、汽车、航空航天、牙科、教育等领域都有所应用，但其应用和发展仍然受到诸多因素的限制。除了仪器设备及打印过程参数之外，原材料也是影响3D打印产品质量的关键因素，它将直接影响最终产品的表面质量、耐热性、韧性等。因此，开发具有优越的综合性能的复合材料来克服单一材料的缺陷和应用局限性是这一领域的研究热点。
电子束3D打印是指粉末或者丝材在电子束的作用下形成熔池，随着电子束束斑的移动实现烧结(或熔化)。电子束3D打印技术相比于激光作为热源的选区融化技术，有诸多不可比拟的优势，例如，电子束连续工作时功率密度比激光要高得多，并且在焊接过程中，电子束最大功率要比激光高好多倍，而且电子束扫描加工速度比激光加工速度快100-1000以上，能够直接生产模具和零件。由于电子束的工作环境为真空，其生产出的模具和零件气孔和氧化层几乎没有，因此他们的机械性能、强度都比激光选区熔化出来的要好些。而且其材料应用范围广，聚焦集中，功率更大，高真空保护，扫描速度快，电磁偏转控制更方便，能量利用率更高。
电子束3D打印技术是将电子束焊接的优点和快速制造技术的优点结合起来的产物。但是，电子束3D打印过程中会出现一种特殊的现象——吹粉，是指金属粉末颗粒在熔化之前已经偏离了原先铺粉位置的现象，进而无法进行电子束粉末熔化成形。局部吹粉问题会使基板工作区域粉末稀少；而严重时，基板工作区域的粉末会全面溃散，从而形成类似“沙尘暴”现象。
有鉴于此，本发明旨在提供一种3D打印方法，其通过使用特别的复合材料，并在打印过程中采用预热程序，能够很好的解决吹粉问题，使得电子束3D打印能够正常进行。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种3D打印方法，其通过使用特别的复合材料，并在打印过程中采用预热程序，能够很好的解决吹粉问题，使得电子束3D打印能够正常进行。
为了实现上述目的，本发明所采用如下技术方案：
一种3D打印方法，至少包括如下步骤：
第一步，首层铺粉，在真空环境中，行走机构带动供粉箱运动，3D打印用复合材料从供粉箱中出粉至基板上，压实，刮平；
第二步，通过基板下的加热元件预热首层铺粉，同时，采用电子束偏转扫描加热的方式从首层铺粉的上表面预热首层铺粉，然后，电子枪发射电子束使首层铺粉熔化；
第三步，升降台下降一个单位的高度，行走机构再次带动供粉箱运动，3D打印用复合材料从供粉箱中出粉至首层铺粉上，压实，刮平，形成第二层铺粉；
第四步，通过基板下的加热元件预热第二层铺粉，同时，采用电子束偏转扫描加热的方式从第二层铺粉的上表面预热第二层铺粉，然后，电子枪发射电子束使第二层铺粉熔化；
第五步，重复第三步和第四步的动作，铺设第3～N层复合材料粉，并预热、熔化，完成3D打印，其中，N＝5～30；
也就是说，每铺设完一层铺粉，升降台就下降一个单位的高度，每铺设完一层铺粉，都要压实、刮平、预热、并用电子枪发射电子束使该层铺粉熔化。
所述3D打印用复合材料所述包括金属粉末和导电材料，所述导电材料包括石墨烯和碳纤维，按原子百分比计，所述金属粉末包括：
余量为Fe；
所述导电材料占所述复合材料的质量比为1％～10％；所述导电材料与所述金属粉末通过球磨方法均匀混合。
作为本发明3D打印方法的一种改进，按原子百分比计，所述金属粉末包括：
余量为Fe。
作为本发明3D打印方法的一种改进，按原子百分比计，所述金属粉末包括：
余量为Fe。
作为本发明3D打印方法的一种改进，所述导电材料中，石墨烯和碳纤维的质量比为(1-5)：1。
作为本发明3D打印方法的一种改进，每层铺粉的厚度为0.1mm～1mm。
作为本发明3D打印方法的一种改进，第二步和第四步中预热的持续时间分别为2min-10min。
作为本发明3D打印方法的一种改进，所述加热元件为5-30个功率为1000W-3000W的电阻丝。
作为本发明3D打印方法的一种改进，所述电子束偏转扫描加热是使用束流为15mA-45mA、扫描频率为4kHz-8kHz的电子束扫描铺粉。其中，电子束偏转扫描是指电子束被阳极电压加速，依次通过聚焦线圈和偏转线圈而形成的。
作为本发明3D打印方法的一种改进，第一步所述的真空环境的真空度为1×10-3Pa～8×10-3Pa。
由于吹粉现象的出现主要是因为：第一，高速电子束轰击金属粉末，金属粉末蒸发引起反作用力；第二，电子束轰击导致金属粉末带电，使粉末受到库伦兹力和洛伦兹力。
因此，本发明通过加入导电材料(石墨烯和碳纤维的混合物)，其中，石墨烯具有良好的导电性，在加热状态下还具有一定的粘接性，碳纤维与石墨烯联合能够形成线、面的导电，因此将其与金属粉末混合，不仅可以提高金属粉末的导电性，使金属粉末表面所带的负电荷迅速转移，而且还能够提高粉末颗粒间的粘接度，从而可以解决吹粉问题。
而且，本发明还通过增加预热程序，可以与该复合材料起到协同增效的作用，从而较为彻底的解决吹粉问题。这是因为，加热可以提高粉末颗粒间的粘接度，提高金属粉末的导电性，使金属粉末表面所带的负电荷迅速转移，以解决吹粉问题。并且，本发明采用两种预热方式协同作用，加热元件从基板下面开始加热，对粉末层具有加热保温效果，而电子束偏转扫描加热是从铺粉层上表面开始加热的，使粉末颗粒之间具有轻微的连接，对粉末层具有加强表面粘接性，提高了粉末表面的抗冲击强度，防止粉末在电子束的冲击以及累积的电荷产生的电荷斥力下溃散。二者的联合加上对材料本身的改进可以大大降低预热时间和吹粉率。
此外，少量的Ce和Eu的加入能够提高复合材料的塑性和韧性，且可改善断口韧窝形状、分布及大小，并可使杂物明显减少，从而减少裂纹和边缘气孔。同时，这两种元素的加入还能提高复合材料的耐腐蚀性能，这是因为这两种元素能够起到细化晶粒的作用。此外，Ce的加入还可以提高该复合材料的抗菌性。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例提供了一种3D打印方法，至少包括如下步骤：
第一步，首层铺粉，在真空环境中，行走机构带动供粉箱运动，3D打印用复合材料从供粉箱中出粉至基板上，压实，刮平；
第二步，通过基板下的加热元件预热首层铺粉，同时，采用电子束偏转扫描加热的方式从首层铺粉的上表面预热首层铺粉，然后，电子枪发射电子束使首层铺粉熔化；
第三步，升降台下降一个单位的高度，行走机构再次带动供粉箱运动，3D打印用复合材料从供粉箱中出粉至首层铺粉上，压实，刮平，形成第二层铺粉；
第四步，通过基板下的加热元件预热第二层铺粉，同时，采用电子束偏转扫描加热的方式从第二层铺粉的上表面预热第二层铺粉，然后，电子枪发射电子束使第二层铺粉熔化；
第五步，重复第三步和第四步的动作，铺设第3～10层复合材料粉，并预热、熔化，完成3D打印；
其中，3D打印用金属复合材料，包括金属粉末和导电材料，导电材料包括石墨烯和碳纤维，按原子百分比计，金属粉末包括：
余量为Fe。
导电材料占复合材料的质量比为5％；导电材料与金属粉末通过球磨方法均匀混合。
导电材料中，石墨烯和碳纤维的质量比为3：1。
每层铺粉的厚度为0.5mm，第二步和第四步中预热的持续时间分别为3min，4min，加热元件为,10个功率为2000W的电阻丝。电子束偏转扫描加热是使用束流为25mA、扫描频率为6kHz的电子束扫描铺粉。第一步所述的真空环境的真空度为4×10-3Pa。
实施例2
本实施例提供了一种3D打印方法，至少包括如下步骤：
第一步，首层铺粉，在真空环境中，行走机构带动供粉箱运动，3D打印用复合材料从供粉箱中出粉至基板上，压实，刮平；
第二步，通过基板下的加热元件预热首层铺粉，同时，采用电子束偏转扫描加热的方式从首层铺粉的上表面预热首层铺粉，然后，电子枪发射电子束使首层铺粉熔化；
第三步，升降台下降一个单位的高度，行走机构再次带动供粉箱运动，3D打印用复合材料从供粉箱中出粉至首层铺粉上，压实，刮平，形成第二层铺粉；
第四步，通过基板下的加热元件预热第二层铺粉，同时，采用电子束偏转扫描加热的方式从第二层铺粉的上表面预热第二层铺粉，然后，电子枪发射电子束使第二层铺粉熔化；
第五步，重复第三步和第四步的动作，铺设第3～15层复合材料粉，并预热、熔化，完成3D打印。
其中，3D打印用金属复合材料，包括金属粉末和导电材料，导电材料包括石墨烯和碳纤维，按原子百分比计，金属粉末包括：
余量为Fe；
导电材料占复合材料的质量比为8％；导电材料与金属粉末通过球磨方法均匀混合。
导电材料中，石墨烯和碳纤维的质量比为4：1。
每层铺粉的厚度为0.6mm，第二步和第四步中预热的持续时间分别为2min，5min。
加热元件为20个功率为1500W的电阻丝。电子束偏转扫描加热是使用束流为30mA、扫描频率为5kHz的电子束扫描铺粉，第一步所述的真空环境的真空度为6×10-3Pa。
实施例3
本实施例提供了一种3D打印方法，至少包括如下步骤：
第一步，首层铺粉，在真空环境中，行走机构带动供粉箱运动，3D打印用复合材料从供粉箱中出粉至基板上，压实，刮平；
第二步，通过基板下的加热元件预热首层铺粉，同时，采用电子束偏转扫描加热的方式从首层铺粉的上表面预热首层铺粉，然后，电子枪发射电子束使首层铺粉熔化；
第三步，升降台下降一个单位的高度，行走机构再次带动供粉箱运动，3D打印用复合材料从供粉箱中出粉至首层铺粉上，压实，刮平，形成第二层铺粉；
第四步，通过基板下的加热元件预热第二层铺粉，同时，采用电子束偏转扫描加热的方式从第二层铺粉的上表面预热第二层铺粉，然后，电子枪发射电子束使第二层铺粉熔化；
第五步，重复第三步和第四步的动作，铺设第3～25层复合材料粉，并预热、熔化，完成3D打印；
其中，3D打印用金属复合材料，包括金属粉末和导电材料，导电材料包括石墨烯和碳纤维，按原子百分比计，金属粉末包括：
余量为Fe；
导电材料占复合材料的质量比为3％；导电材料与金属粉末通过球磨方法均匀混合。
导电材料中，石墨烯和碳纤维的质量比为2：1。
每层铺粉的厚度为0.8mm。第二步和第四步中预热的持续时间均为4min。述加热元件为25个功率为1000W的电阻丝。电子束偏转扫描加热是使用束流为35mA、扫描频率为7kHz的电子束扫描铺粉。第一步所述的真空环境的真空度为7×10-3Pa。
实施例4
本实施例提供了一种3D打印方法，至少包括如下步骤：
第一步，首层铺粉，在真空环境中，行走机构带动供粉箱运动，3D打印用复合材料从供粉箱中出粉至基板上，压实，刮平；
第二步，通过基板下的加热元件预热首层铺粉，同时，采用电子束偏转扫描加热的方式从首层铺粉的上表面预热首层铺粉，然后，电子枪发射电子束使首层铺粉熔化；
第三步，升降台下降一个单位的高度，行走机构再次带动供粉箱运动，3D打印用复合材料从供粉箱中出粉至首层铺粉上，压实，刮平，形成第二层铺粉；
第四步，通过基板下的加热元件预热第二层铺粉，同时，采用电子束偏转扫描加热的方式从第二层铺粉的上表面预热第二层铺粉，然后，电子枪发射电子束使第二层铺粉熔化；
第五步，重复第三步和第四步的动作，铺设第3～12层复合材料粉，并预热、熔化，完成3D打印；
其中，3D打印用金属复合材料，包括金属粉末和导电材料，导电材料包括石墨烯和碳纤维，按原子百分比计，金属粉末包括：
余量为Fe；
导电材料占复合材料的质量比为6.5％；导电材料与金属粉末通过球磨方法均匀混合。
导电材料中，石墨烯和碳纤维的质量比为1：1。
每层铺粉的厚度为0.2mm。第二步和第四步中预热的持续时间分别为5min，2min。加热元件为22个功率为1200W的电阻丝。电子束偏转扫描加热是使用束流为40mA、扫描频率为4kHz的电子束扫描铺粉。第一步所述的真空环境的真空度为2×10-3Pa。
实施例5
本实施例提供了一种3D打印方法，至少包括如下步骤：
第一步，首层铺粉，在真空环境中，行走机构带动供粉箱运动，3D打印用复合材料从供粉箱中出粉至基板上，压实，刮平；
第二步，通过基板下的加热元件预热首层铺粉，同时，采用电子束偏转扫描加热的方式从首层铺粉的上表面预热首层铺粉，然后，电子枪发射电子束使首层铺粉熔化；
第三步，升降台下降一个单位的高度，行走机构再次带动供粉箱运动，3D打印用复合材料从供粉箱中出粉至首层铺粉上，压实，刮平，形成第二层铺粉；
第四步，通过基板下的加热元件预热第二层铺粉，同时，采用电子束偏转扫描加热的方式从第二层铺粉的上表面预热第二层铺粉，然后，电子枪发射电子束使第二层铺粉熔化；
第五步，重复第三步和第四步的动作，铺设第3～18层复合材料粉，并预热、熔化，完成3D打印；
其中，3D打印用金属复合材料，包括金属粉末和导电材料，导电材料包括石墨烯和碳纤维，按原子百分比计，金属粉末包括：
余量为Fe；
导电材料占复合材料的质量比为6.5％；导电材料与金属粉末通过球磨方法均匀混合。
导电材料中，石墨烯和碳纤维的质量比为2.5：1。
每层铺粉的厚度为0.35mm。第二步和第四步中预热的持续时间分别为6min，3min。加热元件为25个功率为1800W的电阻丝。电子束偏转扫描加热是使用束流为20mA、扫描频率为5kHz的电子束扫描铺粉。第一步所述的真空环境的真空度为3×10-3Pa。
测量电子束工作前后实施例1至5提供的方法中基板上的粉末总质量M前，M后，计算吹粉率，其计算公式为吹粉率＝(M前-M后)/M前；所得结果见表1。
表1：实施例1至5吹粉率
由表1可以看出：本发明提供的3D打印方法吹粉率极低，使得电子束3D打印能够正常进行。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种3D打印方法，其特征在于，至少包括如下步骤：
第一步，首层铺粉，在真空环境中，行走机构带动供粉箱运动，3D打印用复合材料从供粉箱中出粉至基板上，压实，刮平；
第二步，通过基板下的加热元件预热首层铺粉，同时，采用电子束偏转扫描加热的方式从首层铺粉的上表面预热首层铺粉，然后，电子枪发射电子束使首层铺粉熔化；
第三步，升降台下降一个单位的高度，行走机构再次带动供粉箱运动，3D打印用复合材料从供粉箱中出粉至首层铺粉上，压实，刮平，形成第二层铺粉；
第四步，通过基板下的加热元件预热第二层铺粉，同时，采用电子束偏转扫描加热的方式从第二层铺粉的上表面预热第二层铺粉，然后，电子枪发射电子束使第二层铺粉熔化；
第五步，重复第三步和第四步的动作，铺设第3～N层复合材料粉，并预热、熔化，完成3D打印，其中，N＝5～30；
所述3D打印用复合材料所述包括金属粉末和导电材料，所述导电材料包括石墨烯和碳纤维，按原子百分比计，所述金属粉末包括：
C 0.01％～0.1％；
Mn 0.1％～2.0％；
P 0.02％～0.08％；
S 0.005％～0.03％；
Cu 0.01％～0.05％；
Ni 8.0％～11.0％；
Cr 15％～20％；
Mo 0.01％～0.05％；
Al 0.005％～0.05％；
Cu 0.002％～0.05％；
Eu 0.001％～0.1％；
Ce 0.001％～0.1％；
余量为Fe；
所述导电材料占所述复合材料的质量比为1％～10％；所述导电材料与所述金属粉末通过球磨方法均匀混合。
2.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，按原子百分比计，所述金属粉末包括：
C 0.03％～0.08％；
Mn 0.5％～1.5％；
P 0.03％～0.06％；
S 0.01％～0.025％；
Cu 0.02％～0.04％；
Ni 8.5％～10.5％；
Cr 16％～19％；
Mo 0.02％～0.04％；
Al 0.01％～0.04％；
Cu 0.01％～0.04％；
Eu 0.005％～0.05％；
Ce 0.005％～0.05％；
余量为Fe。
3.根据权利要求2所述的3D打印方法，其特征在于，按原子百分比计，所述金属粉末包括：
C 0.05％；
Mn 1.0％；
P 0.04％；
S 0.02％；
Cu 0.03％；
Ni 9.5％；
Cr 17％；
Mo 0.03％；
Al 0.03％；
Cu 0.02％；
Eu 0.01％；
Ce 0.01％；
余量为Fe。
4.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述导电材料中，石墨烯和碳纤维的质量比为(1-5)：1。
5.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，每层铺粉的厚度为0.1mm～1mm。
6.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，第二步和第四步中预热的持续时间分别为2min-10min。
7.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述加热元件为5-30个功率为1000W-3000W的电阻丝。
8.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述电子束偏转扫描加热是使用束流为15mA-45mA、扫描频率为4kHz-8kHz的电子束扫描铺粉。
9.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，第一步所述的真空环境的真空度为1×10-3Pa～8×10-3Pa。
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