CN108971493A - 一种用于3dp法三维打印薄壁多孔金属坯的去粉方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及多孔金属材料及3D打印技术领域，具体涉及一种用于3DP法三维打印薄壁多孔金属坯的去粉方法，包括以下步骤：首先选择成形所需的金属粉末，并向金属粉末中喷射粘结剂，采用3DP法三维打印制得打印坯；然后将待去粉的打印坯置于干燥箱中加热1～2h，再放入盛有无水乙醇溶液的超声波清洗机中进行超声波去粉；将去粉后的打印坯再次置于干燥箱中进行加热处理，即可得到结构完整的薄壁多孔金属坯；本发明可以实现强度较低的多孔打印坯的去粉，并具有去粉操作简单、成本低、节能环保的特点，能够成批量地对3DP法打印的薄壁多孔金属坯进行去粉，能够实现去粉机械化，为3DP法制件的批量生产提供保障。
Description
技术领域
本发明涉及多孔金属材料及3D打印技术领域，具体涉及一种用于3DP法三维打印薄壁多孔金属坯的去粉方法。
背景技术
目前，3D打印技术迅速发展，且在金属材料打印方面的应用日益增加。为了进一步发掘3D打印技术的潜力，在工业界实现轻量化的创新设计、制备多孔金属材料已成为3D打印技术应用的新趋势。然而，选择性激光烧结/熔化(SLS/SLM)、喷墨三维印刷(3DP)等金属三维打印技术是基于粉末床叠层打印成形的方式，多孔件打印完成后均需要进行去粉操作，即多孔件的孔道内此时还被未烧结或未粘结起来的粉末所占据，需在不破坏坯件形状和尺寸的情况下将这部分粉末彻底清除，形成开孔式多孔结构内部完整、清晰的孔道。SLS/SLM法多孔打印件去粉后即可得到所需的制品，而3DP法多孔打印坯去粉后再经过脱粘、烧结而获得最终的多孔金属件。
对于采用激光等高能量能源打印成形的多孔件，骨架内的原粉末颗粒已烧结在一起，甚至完全熔化、经冷却凝固而成为整体，因而具有很好的强度，可以采用一些机械方式进行去粉而不会破坏打印件。但3DP法是通过喷射粘结剂使粉末粘结成形，已粘结起来的粉末之间结合力较小，打印坯的强度较低，对于薄壁多孔件来说，相邻孔隙之间的壁厚小，使得整个多孔坯的强度更低，因而不宜采用具有较大作用力的机械方法进行去粉。另一方面，需要被去除的粉末尽管未被粘结剂粘结起来，但它们在3DP法打印的铺粉过程中逐层受到了一定程度的压实，同时粘结剂固化时可能造成坯件收缩而产生压应力，加上细小的粉末颗粒之间存在范德华力、静电力等结合力，粉末的形状因素也造成粉末颗粒之间存在相互的咬合作用，这些原因都使得3DP法打印的多孔坯去粉相对来说比较困难，尤其是孔道截面尺寸较小、深度较大的情况下。综上所述，3DP法三维打印多孔坯的去粉是该领域的一个技术关键求。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明的一种用于3DP法三维打印薄壁多孔金属坯的去粉方法可以实现强度较低的多孔打印坯的去粉，并具有去粉操作简单、成本低、节能环保的特点，能够成批量地对3DP法打印的薄壁多孔金属坯进行去粉，能够实现去粉机械化，为3DP法制件的批量生产提供保障。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种用于3DP法三维打印薄壁多孔金属坯的去粉方法，包括以下步骤：
1)首先选择成形所需的金属粉末，并向金属粉末中喷射粘结剂，采用3DP法三维打印制得打印坯；
2)然后将待去粉的打印坯置于干燥箱中加热1～2h，再放入盛有无水乙醇溶液的超声波清洗机中进行超声波去粉，打印坯放入无水乙醇溶液中时，下方需加入垫块，使底部架空，以容纳被去除后沉降的粉末，打印坯放置时使孔道的走向处于铅垂方向，如打印坯上有多个方向有孔道时则使较多孔道的走向处于铅垂方向，在去粉过程中，视坯件内孔道情况来翻转坯件，使尚未除尽粉末的孔道处于铅垂方向；
3)将去粉后的打印坯再次置于干燥箱中进行加热处理，即可得到结构完整的薄壁多孔金属坯。
优选的，所述步骤1)中3DP法三维打印采用的金属粉末为不锈钢粉末、钛粉、镍粉、合金粉末中的任意一种。
优选的，所述步骤1)中粘结剂为UV胶、聚乙烯醇(PVA)中的任意一种。
优选的，所述粘结剂为UV胶时步骤2)中干燥箱的加热温度为180～200℃，所述粘结剂为PVA时步骤2)中干燥箱的加热温度为60～80℃。
优选的，所述步骤2)中无水乙醇溶液中混入有0.25～1vol％的有机高分子材料分散剂。
优选的，所述步骤2)中超声波清洗机的去粉时间0.5～1h。
优选的，所述步骤2)中视坯件内孔道情况来翻转坯件，如果坯件中的孔道只有一个走向时，则不需要翻转，如果有2个方向有孔道，则需翻转1次；如有3个方向有孔道，则需翻转2次；如任意方向都有孔道，则视坯件外形可毎隔一定角度翻转一次，保证所有孔道内的粉末去除干净。
优选的，所述步骤3)中干燥箱的加热温度为90～100℃。
(三)有益效果
本发明的一种用于3DP法三维打印薄壁多孔金属坯的去粉方法可以实现强度较低的多孔打印坯的去粉，并具有去粉操作简单、成本低、节能环保的特点，能够成批量地对3DP法打印的薄壁多孔金属坯进行去粉，能够实现去粉机械化，为3DP法制件的批量生产提供保障。
超声波清洗机具有操作简单、价格适中等特点。超声波清洗机由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质中，超声波在溶液中疏密相间地向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微小气泡，存在于溶液中的微小气泡会进入打印坯内未被粘结的粉末之间的空隙中，在声场的作用下进行振动。当声压达到一定值时，气泡迅速增大，然后突然闭合而产生冲击波，破坏未粘结粉末的结合，使粉末脱离原来的位置而分散到溶液中，达到去粉的目的。
溶液使用无水乙醇溶液，并添加一定量的分散剂。乙醇具有成本低、无毒、易挥发、无污染的优点，与打印坯内的粘结剂无胶黏作用。当去粉完成后，多孔坯内残留的乙醇易挥发，不会对多孔坯造成成分污染。分散剂的作用在于降低粉末之间的范德华力、静电力等吸引力，能促进超声波作用下坯件中未粘结粉末的分散与去除，并有效抑制粉末发生二次团聚。所用的分散剂为有机高分子材料，残留在多孔坯内的部分容易在后续处理阶段被去除而不影响最终制件的纯度。
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的要使用的附图作简单介绍。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获得其他的附图。
图1为本发明打印坯置于超声波清洗机清洗槽后的主视图；
图2为本发明打印坯置于超声波清洗机清洗槽后的俯视图。
图中的标号分别代表：1～超声波清洗机清洗槽；2～无水乙醇溶液；3～打印坯中已被粘结起来的粉末；4～打印坯中待去除的未粘结粉末；5～垫块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。
如图1和图2所示，首先选择成形所需的金属粉末，并向金属粉末中喷射粘结剂，采用3DP法三维打印制得打印坯，打印坯基体包括打印坯中已被粘结起来的粉末3和打印坯中待去除的未粘结粉末4；然后将待去粉的打印坯置于干燥箱中加热1～2h，再放入盛有无水乙醇溶液2的超声波清洗机清洗槽1中进行超声波去粉，打印坯放入无水乙醇溶液2中时，下方需加入垫块5，使底部架空，以容纳被去除后沉降的粉末，打印坯放置时使孔道的走向处于铅垂方向，如打印坯上有多个方向有孔道时则使较多孔道的走向处于铅垂方向，在去粉过程中，视坯件内孔道情况来翻转坯件，使尚未除尽粉末的孔道处于铅垂方向；将去粉后的打印坯再次置于干燥箱中进行加热处理，即可得到结构完整的薄壁多孔金属坯。
本发明中选用无水乙醇溶液2，是因为其与UV胶及粘性粉末不产生胶黏作用，保证打印坯浸入溶液中后不会发生变形或塌陷，孔道内待去除的粉末不发生粘结；粘结剂为UV胶时干燥箱的加热温度为180～200℃，粘结剂为PVA时干燥箱的加热温度为60～80℃，是为了保证加热后打印坯有足够的强度支撑其在溶液浸泡下和超声波作用下不会变形或塌陷；无水乙醇溶液2中添加少量分散剂，是因为分散剂能够降低粉末之间的范德华力、静电力等吸引力，促进超声波作用下坯件中未粘结粉末的分散与去除，并有效抑制粉末发生二次团聚；超声波去粉时间约0.5～1h，是因为去粉时间过短去粉不完全，时间过长会由于超声波的作用对多孔坯造成损坏，因此要对去粉时间进行控制；去粉后的多孔坯加热温度为90～100℃，是为了去除多孔坯内残留的乙醇溶液。
实施例1：
选用316L不锈钢粉末为成形粉末，直接喷射UV胶粘结不锈钢粉末成形，所用316L不锈钢粉末粒径在15～45μm范围内，外形为球形。采用3DP法三维打印技术，将不锈钢粉末置于打印机储粉槽中，由铺粉装置将粉末在成形槽中铺成粉末层，打印头向粉末层喷出UV胶，用紫外光照射粉末层，使UV胶发生一定程度的光固化从而使不锈钢粉末初步粘结成形。不断重复铺粉、打印过程，直至打印完成。成形模型为薄壁多孔件，孔道截面为边长5mm的正方形。
将打印坯连同基板和粉末层一起从成形槽中端出，放进干燥箱中于200℃下使UV胶热固化2h，使不锈钢粉末完全粘结成形。将打印坯从粉末层中取出，按要求浸入超声波清洗机清洗槽中混有分散剂的乙醇溶液，开启超声波清洗机，于室温下超声振动1h，期间根据需要可间隔一定时间后翻转坯件的摆放方向。多孔坯取出后再放进干燥箱中于100℃下加热1h，得到去粉的薄壁多孔金属坯。
经测评，采用本发明的去粉方式可以得到去粉完全、结构特征完整的薄壁多孔金属坯，且操作简单、成本低。
实施例2：
选用316L不锈钢粉末为成形粉末，混入粘性粉末PVA和淀粉，通过喷射水基粘结剂溶液的方式粘结粉末成形。其中，316L不锈钢粉末粒径在15～45μm范围内，外形为球形；PVA粉末的粒度为300目，外形为片状；淀粉的粒径在5～20μm范围内，外形为近球形。PVA粉末含量为10％，淀粉含量为2％，利用三维混合机使三种粉末混合均匀，获得混合粉料。水基粘结剂溶液为添加0.05wt％聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的水溶液。
采用3DP法三维打印技术，将混合粉料置于打印机储粉槽中，由铺粉装置将粉末在成形槽中铺成粉末层，打印头向粉末层喷出粘结剂溶液，粘结剂溶液与粉末层中的粘性粉末相互作用而产生粘结效果，使不锈钢粉末粘结成形。不断重复铺粉、打印过程，直至打印完成。成形模型为薄壁多孔件，孔道截面为直径5mm的圆形。
将打印坯连同基板和粉末层一起从成形槽中端出，放进干燥箱中于80℃下加热干燥2h。将打印坯从粉末层中取出，按要求浸入超声波清洗机清洗槽中混有分散剂的乙醇溶液，开启超声波清洗机，于室温下超声振动1h，期间根据需要可间隔一定时间后翻转坯件的摆放方向。多孔坯取出后再放进干燥箱中于100℃下加热1h，得到去粉后的薄壁多孔金属坯。
经测评，采用本发明的去粉方式可以得到去粉完全、结构特征完整的薄壁多孔金属坯，且操作简单、成本低。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种用于3DP法三维打印薄壁多孔金属坯的去粉方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)首先选择成形所需的金属粉末，并向金属粉末中喷射粘结剂，采用3DP法三维打印制得打印坯；
2)然后将待去粉的打印坯置于干燥箱中加热1～2h，再放入盛有无水乙醇溶液的超声波清洗机中进行超声波去粉，打印坯放入无水乙醇溶液中时，下方需加入垫块，使底部架空，以容纳被去除后沉降的粉末，打印坯放置时使孔道的走向处于铅垂方向，如打印坯上有多个方向有孔道时则使较多孔道的走向处于铅垂方向，在去粉过程中，视坯件内孔道情况来翻转坯件，使尚未除尽粉末的孔道处于铅垂方向；
3)将去粉后的打印坯再次置于干燥箱中进行加热处理，即可得到结构完整的薄壁多孔金属坯。
2.如权利要求1所述的一种用于3DP法三维打印薄壁多孔金属坯的去粉方法，其特征在于，所述步骤1)中3DP法三维打印采用的金属粉末为不锈钢粉末、钛粉、镍粉、合金粉末中的任意一种。
3.如权利要求1所述的一种用于3DP法三维打印薄壁多孔金属坯的去粉方法，其特征在于，所述步骤1)中粘结剂为UV胶、聚乙烯醇(PVA)中的任意一种。
4.如权利要求1所述的一种用于3DP法三维打印薄壁多孔金属坯的去粉方法，其特征在于：所述粘结剂为UV胶时步骤2)中干燥箱的加热温度为180～200℃，所述粘结剂为PVA时步骤2)中干燥箱的加热温度为60～80℃。
5.如权利要求1所述的一种用于3DP法三维打印薄壁多孔金属坯的去粉方法，其特征在于：所述步骤2)中无水乙醇溶液中混入有0.25～1vol％的有机高分子材料分散剂。
6.如权利要求1所述的一种用于3DP法三维打印薄壁多孔金属坯的去粉方法，其特征在于：所述步骤2)中超声波清洗机的去粉时间0.5～1h。
7.如权利要求1所述的一种用于3DP法三维打印薄壁多孔金属坯的去粉方法，其特征在于：所述步骤2)中视坯件内孔道情况来翻转坯件，如果坯件中的孔道只有一个走向时，则不需要翻转，如果有2个方向有孔道，则需翻转1次；如有3个方向有孔道，则需翻转2次；如任意方向都有孔道，则视坯件外形可毎隔一定角度翻转一次，保证所有孔道内的粉末去除干净。
8.如权利要求1所述的一种用于3DP法三维打印薄壁多孔金属坯的去粉方法，其特征在于：所述步骤3)中干燥箱的加热温度为90～100℃。
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