CN109332691A - 一种纳米铜粉3d打印激光烧结参数确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于3D打印技术领域，特别涉及一种纳米铜粉3D打印激光烧结参数确定方法。所述方法包括以下步骤：(1)确定激光烧结铜粉的形状和粒度；(2)建模计算烧结纳米铜粉的理论熔点；(3)计算模拟在不同时长条件下，纳米铜粉的烧结演化过程，得到打印烧结体的理论模型，进而得到其孔隙率/致密度；(4)进行拉伸模拟，计算得到烧结体的力学性能；(5)以目标性能为判据，反推最佳烧结速率范围；(6)根据烧结温度、烧结速率，以及烧结物质的量和铜的热容，计算得到理论烧结功率。本方法具有可靠性，并减少实验量，显著降低铜粉3D打印工艺的研发成本，提高研发效率。

Description

一种纳米铜粉3D打印激光烧结参数确定方法
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，特别涉及一种纳米铜粉3D打印激光烧结参数确定方法。
背景技术
3D打印属于增材制造方法，即，通过三维打印方式逐层将材料叠加制得所需要的产品。3D打印不需要使用模具，在制造个性化、非大批量产品方面具有天然优势。其中3D打印铜制品可广泛用于电子、电力、能源、化工、汽车、机械和高能物理等领域。选区激光熔化(SLM)技术以激光作为热源，是金属3D成型主流的烧结工艺。
金属铜属于反光材料，在激光烧结过程中造成激光的能量利用率降低。铜的高导热性在激光烧结过程中也会降低热量吸收率。利用材料的尺寸效应是解决铜粉3D打印难题的途径之一。当金属铜粉粒度达到纳米级，其熔点降低、表面能增加、催化活性提高，其中熔点可至500℃以下。但是，由于纳米铜粉表征有一定难度，并且3D打印实验存在设备要求高、价格昂贵、能耗大等问题，需要花费大量人力物力探索纳米铜粉的激光烧结工艺。因此，寻找一种快速、低成本的纳米铜粉激光烧结工艺具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米铜粉3D打印激光烧结参数确定方法，所述方法包括以下步骤：
(1)确定激光烧结铜粉的形状和粒度；
(2)针对步骤(1)确定的纳米铜粉特征参数，采用分子动力学材料计算研究方法，建模计算烧结纳米铜粉的理论熔点；
(3)采用分子动力学材料计算研究方法，计算模拟在不同时长条件下，纳米铜粉的烧结演化过程，得到打印烧结体的理论模型，进而得到其孔隙率/致密度；
(4)将步骤(3)得到的烧结体理论模型，进行拉伸模拟，计算得到烧结体的力学性能；
(5)将步骤(3)得到的孔隙率/致密度和步骤(4)得到的力学性能，以目标性能为判据，反推最佳烧结速率范围；
(6)根据烧结温度、烧结速率，以及烧结物质的量和铜的热容，计算得到理论烧结功率。
所述步骤(1)中常见铜粉形状为球状，还可以为立方体等多面体状，粒度为纳米级。
所述步骤(2)中，建模的铜粉颗粒数≥2。
所述步骤(2)中，综合考虑模型复杂程度以及计算与实际在材料形核上的差异，对计算得到的理论熔点做-50℃～+50℃的修正。
所述步骤(2)中，分析熔点的方法包括了被广泛应用的径向分布函数分析、势能-温度函数分析和键对分析。
所述步骤(3)中烧结演化模拟的起始温度为室温，烧结终点温度最高到步骤(2)计算得到的理论熔点。
所述步骤(3)中烧结演化模拟的烧结方式有两种，一种为单段烧结，烧结至终点温度即结束，第二种为双段烧结，烧结至终点温度后，在终点温度保温一段时长后结束。
所述步骤(3)中孔隙率/致密度根据计算得到的模型中的空隙体积和总体积计算得到。
所述步骤(4)中的力学性能主要包括抗拉强度和延伸率。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的工艺参数设定方法应用先进的材料计算模拟手段和成熟的算法，从材料的本质特征出发，具有可靠性。
(2)本发明可以大大减少实验量，显著降低铜粉3D打印工艺的研发成本，提高研发效率。
具体实施方式
本发明提供了一种纳米铜粉3D打印激光烧结的参数确定方法，下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
(1)激光烧结铜粉的形状为球状，平均粒度为20纳米；
(2)根据铜原子的空间分布规律，通过周期性堆垛排列，建立四个铜粉颗粒的理论模型，其中单个铜粉颗粒形状为球状，粒度为20纳米。采用分子动力学材料计算研究方法，通过计算分析径向分布函数，得到该纳米铜粉对象的理论熔点为625℃。考虑该实施例所用模型较简单，对熔点不做修正；
(3)采用分子动力学材料计算模拟研究方法，模拟在0.2微秒～5微秒(间隔步长为0.2微秒)条件下，纳米铜粉的烧结演化过程，初始温度为25℃，终点烧结温度设为625℃，采用单段烧结模拟，即无保温过程。根据理论模型获得孔隙体积V孔和总体积V总，通过计算V孔/V总进一步得到在每个时长条件下模型的孔隙率分别为：65％、58％、51％、46％……17％、14％、12％……0.3％、0.3％……0.3％；
(4)将步骤(3)计算模拟的在不同条件下的烧结体理论模型，进行拉伸模拟，通过对烧结体施加应变，计算得到烧结体拉断时所承受的最大力，除以烧结体原横截面积，得到烧结体的抗拉强度分别为：200MPa、……290MPa、295MPa、295MPa……295MPa；
(5)所述目标性能以孔隙率最低、抗拉强度最高为最好。根据步骤(3)得到的孔隙率和步骤(4)得到的力学性能，最低孔隙率为0.3％，对应最高抗拉强度为295MPa，该性能对应的最短单段烧结模拟时长为2.8微秒。
(6)根据烧结温度T、烧结时长t，以及烧结物质的量M和铜的热容Cp，通过计算M×Cp×(T-25)÷t得到理论烧结功率约为160W，作为激光烧结功率参数的设定参考。

Claims (8)

1.一种纳米铜粉3D打印激光烧结参数确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)确定激光烧结铜粉的形状和粒度；
(2)针对步骤(1)确定的纳米铜粉参数，采用分子动力学材料计算研究方法，建模计算烧结纳米铜粉的理论熔点；
(3)采用分子动力学材料计算研究方法，计算模拟在不同时长条件下，纳米铜粉的烧结演化过程，得到打印烧结体的理论模型，进而得到其孔隙率/致密度；
(4)将步骤(3)得到的烧结体理论模型，进行拉伸模拟，计算得到烧结体的力学性能；
(5)将步骤(3)得到的孔隙率/致密度和步骤(4)得到的力学性能，以目标性能为判据，反推最佳烧结速率范围；
(6)根据烧结温度、烧结速率，以及烧结物质的量和铜的热容，计算得到理论烧结功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述铜粉形状为球状，立方体或多面体，粒度为纳米级。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述建模的铜粉颗粒数≥2。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，对计算得到的所述理论熔点做-10℃～-100℃的修正。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述烧结演化过程的起始温度为室温，烧结演化终点温度最高至步骤(2)计算得到的理论熔点。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述烧结演化的方式有两种，一种为单段烧结，烧结至终点温度即结束，另一种为双段烧结，烧结至终点温度后，在终点温度保温一段时长后结束。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述孔隙率/致密度根据所得到的理论模型中的空隙体积和总体积计算得到。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中所述力学性能包括抗拉强度和延伸率。
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