CN109759579A - 一种金属基复合材料粉末的三维印刷快速成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属基复合材料粉末的三维印刷快速成型方法，包括以下步骤：A、配制用于三维打印的打印粉末；B、采用两次铺粉的方法进行铺粉；C、在刚才铺好的粉末上，通过逐行扫描的方式，按需喷射出相配的粘接剂；D、打印层完成铺粉、喷胶后，采用UV灯扫描照射进行初步固化，初步固化后进一步固化；E、将固化的试样放入到马沸炉中进行高温处理，本发明成型速度快，一般具有多个喷嘴，喷射粘结剂的速度要比熔融烧结法单点逐线扫描快速得多，完成一个原型制件的成型时间短，成型过程无毒无污染，成型过程中无大量热产生，环境友好。
Description
技术领域
本发明涉及三维印刷快速成型技术领域，具体为一种金属基复合材料粉末的三维印刷快速成型方法。
背景技术
纯金属具有良好的延展性，但屈服强度较低；氧化物、碳化物、氮化物等硬质陶瓷(如Al2O3，SiC，BN)具有高强度，但延展性极差。将这两种材料结合在一起形成的颗粒增强金属基复合材料具备高屈服强度和较好的延展性。从20世纪60年代以来，已在先进战机、汽车工业、航空航天、核能和船舶工业中都得到了广泛应用，并且应用范围还在进一步扩大。目前，已经发展出铝基、镁基、钛基、铜基等系列金属基复合材料。金属基复合材料零件的传统加工方式一般需要锻造、浇注，车、铣、刨、磨、钳等多种机械加工设备，这无形之中增加了企业的生产成本，而且还具有加工步骤多、耗时长、对操作人员要求高、对环境不友好等缺点。最为重要的是，由于传统机床加工的先天不足，人们至今仍然无法快速制造出，例如像螺旋桨扇叶、汽车发动机缸体等形状结构复杂精度等级要求高的金属复合材料零件。3D打印技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除加工技术，是一种“自下而上”的材料累加的制造方法。依据计算机上构成的工件三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓信息，3D打印设备的成型头按照这些轮廓信息在控制系统的控制下，选择性地固化或切割一层层的成型材料，形成各个截面轮廓，并逐步顺序叠加成三维工件。3D打印技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，利用三维设计数据在一台设备上可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件，从而实现“自由制造”，解决许多过去难以制造的复杂结构零件的成型，并大大减少了加工工序，产品无需组装，缩短了加工周期。而且越是复杂结构的产品，其制造的速度作用越显著。3D打印技术使技能门槛降低，大幅降低材料耗损、满足多材料无限组合。
当前，已有多种基于粉末材料的3D打印工艺出现。这些3D打印工艺可根据其成型方式分为两大类：第一类，熔融烧结法，粉末态材料先铺展在沉积区域，再逐点逐行烧结或熔化，熔化金属的方法主要是利用激光、电子束和电弧等高能量密度的加工手段，这类工艺以选择性激光烧结为代表。第二类，粘接剂粘结法，使用粘合剂粘结粉末形成立体模型，然后通过烧结去除粘合剂，仅保留成型材料部件，这类工艺以三维印刷快速成型技术(3DP)为代表。颗粒增强金属基复合材料粉末的成型工艺基本上都集中在第一类烧结法。用粘结法加工金属基复合材料零件少有研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属基复合材料粉末的三维印刷快速成型方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种金属基复合材料粉末的三维印刷快速成型方法,包括以下步骤：
A、配制用于三维打印的打印粉末；
B、采用两次铺粉的方法进行铺粉；
C、在刚才铺好的粉末上，通过逐行扫描的方式，按需喷射出相配的粘接剂；
D、打印层完成铺粉、喷胶后，采用UV灯扫描照射进行初步固化，初步固化后进一步固化；
E、将固化的试样放入到马沸炉中进行高温处理。
优选的，根据步骤A三维打印的打印粉末中包含AlSi10Mg粉末80μm74vol.％，SiC粉末5μm 26vol.％，将两种粉末初步混合以后，采用高能球磨机进行球磨。
优选的，根据步骤B将传统的单次“逆转辊”变成连续采用两次“逆转辊”铺粉来完成一层粉末的铺制，最终铺制的粉末层层厚为250μm，最小层厚由所选粉末的最大粒径决定，最小层厚不小于粉末最大粒径的3倍。
优选的，根据步骤B两次铺粉”法铺制一层厚度为250μm的粉末层包含以下步骤：
a、用辊筒将一定量的粉末从储粉腔推到成型腔前面，粉床下降层厚250μm加上额外层厚70μm的距离，在成型腔中留出铺粉空间；
b、进行第一次“逆转辊”铺粉操作，辊筒边旋转、边振动、边向前滚动，将厚度为250+70μm的临时粉末层均匀地摊开在成型腔表面，辊筒角速度为1.5rev/s，辊筒水平速度为75mm/s，施加振动可有效提高粉床的致密度；
c、第一次“逆转辊”铺粉完成后，将粉床上升，粉床上升的高度为额外层厚70μm；
d、进行第二次“逆转辊”铺粉操作，辊筒边旋转、边向后滚动，推抹掉第一轮铺粉特意留下的高度为70μm的额外粉层，最终在粉床表面留下所需厚度为250μm的均匀分布的粉末层；
e、第二次辊粉过程中无需振动，且辊筒旋转方向与第一次辊粉相反。所得到的粉末平面比第一次更加平整光滑，因为没有施加振动且所辊的粉相对于第一次更加均匀一致。
优选的，根据步骤C粘结剂包括UV胶96％、增流剂PVP2.5％、保湿剂丙三醇0.9％、对苯二酚0.6％，喷射液滴直径为12μm，喷射速度为5m/s，喷射频率为5k Hz。
优选的，根据步骤D每一个打印层完成铺粉、喷胶后，采用UV灯扫描照射打印层，使粘结剂得到初步固化，光照强度为1500-1700mw.cm2，每一层粉末光固化时，选择较快的UV灯扫描速度，光照时间控制在15s-16s，本成型使用的3D打印设备的喷头采用压电式喷射原理。
优选的，根据步骤D将埋覆在粉末床中的打印初坯连同基板一起端出，放入加热炉中加热到80℃，保温10min，使打印初坯中的粘结剂进一步固化，热固化后从粉堆中将打印坯取出，去除其中未打印部位及表面的粉末。
优选的，根据步骤E
a、将温度上升到250℃，保温45min，进行去胶处理，使已固化的粘结剂UV胶受热完全分解并挥发，留下AlSi10Mg基材粉体材料；
b、然后，先快速升至1200℃，再缓速升温至1600℃，然后保温2～3h进行最后阶段的烧结处理；
c、保温完后，先缓慢降温至700℃，再随炉冷却至室温。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)成本低，体积小无需复杂昂贵的激光、电子束等系统，能耗小，设备整体造价大大降低，喷射结构高度集成化，没有庞大的辅助设备，结构紧凑；
(2)成型速度快，喷头一般具有多个喷嘴，喷射粘结剂的速度要比熔融烧结法单点逐线扫描快速得多，完成一个小型原型制件的成型时间有时只需半小时；
(3)成型过程无毒无污染，成型过程中无大量热产生，环境友好。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
本发明提供如下技术方案：一种金属基复合材料粉末的三维印刷快速成型方法,包括以下步骤：
A、配制用于三维打印的打印粉末；
B、采用两次铺粉的方法进行铺粉；
C、在刚才铺好的粉末上，通过逐行扫描的方式，按需喷射出相配的粘接剂；
D、打印层完成铺粉、喷胶后，采用UV灯扫描照射进行初步固化，初步固化后进一步固化；
E、将固化的试样放入到马沸炉中进行高温处理。
配制打印粉末，AlSi10Mg粉末：80μm 74vol.％，SiC粉末：5μm 26vol.％粉末粒径较小，粘结剂结合性比较好，制件质量、塑性好。但粉末的粒径过小，流动性差，制件内部容易存在空隙，将两种粉末初步混合以后，采用高能球磨机进行球磨，使两种粉末均匀混合。
SiC粉末不仅可以作为颗粒增强添加剂，提高铝基合金零件的力学性能，而且SiC较小的粒径使其可以在致密化水平。过程中进入AlSi10Mg粉末颗粒间的空隙，这样就有利于提高粉末系统的致密化，当较小粒径的粉末在整个粉末系统中占26vol.％左右，并且两种粉末的粒径比超过10时，能够获得较理想的填充状态，提高粉末系统致密度。
采用“两次铺粉”法，将传统的单次“逆转辊”变成连续采用两次“逆转辊”铺粉来完成一层粉末的铺制，使粉面更加平整、均一、缺陷少、致密度度高。最终铺制的粉末层层厚为250μm，最小层厚由所选粉末的最大粒径决定，最小层厚不小于粉末最大粒径的3倍。
利用“两次铺粉”法铺制一层厚度为250μm的粉末层，用辊筒将一定量的粉末从储粉腔推到成型腔前面；粉床下降层厚250μm加上额外层厚70μm的距离，在成型腔中留出铺粉空间，进行第一次“逆转辊”铺粉操作，辊筒边旋转、边振动、边向前滚动，将厚度为250+70μm的临时粉末层均匀地摊开在成型腔表面，辊筒角速度为1.5rev/s，辊筒水平速度为75mm/s，施加振动可有效提高粉床的致密度。
第一次“逆转辊”铺粉完成后，将粉床上升，为第二次辊粉做准备，粉床上升的高度为额外层厚70μm。
进行第二次“逆转辊”铺粉操作，辊筒边旋转、边向后滚动，推抹掉第一轮铺粉特意留下的高度为70μm的额外粉层，最终在粉床表面留下所需厚度为250μm的均匀分布的粉末层，第二次辊粉过程中无需振动，且辊筒旋转方向与第一次辊粉相反，所得到的粉末平面比第一次更加平整光滑，因为没有施加振动且所辊的粉相对于第一次更加均匀一致。
在粉床上喷射粘结剂，粘结剂包括UV胶96％、增流剂PVP2.5％、保湿剂丙三醇0.9％、对苯二酚0.6％，喷射液滴直径为12μm，喷射速度为5m/s，喷射频率为5k Hz，此粘结剂的粘结机理是利用UV胶的光固化特性，为此，本成型采用的3D打印设备的喷头采用压电式喷射原理，在计算机的控制下，按照事先得到截面轮廓信息，在刚才铺好的粉末上，通过逐行扫描的方式，按需喷射出相配的粘接剂。
每一个打印层完成铺粉、喷胶后，采用UV灯扫描照射打印层，使粘结剂得到初步固化，打印层获得一定的强度，以便进行下一层的铺粉和喷胶，光照强度为1500-1700mw.cm2，每一层粉末光固化时，选择较快的UV灯扫描速度，使粘结剂受光照的时间较短，使光照时间控制在15s左右，这样既可提高加工效率，又使粘结剂未完全固化，有利于得到较高的层间结合力。
但是，未完全光固化的粘结剂使得初步打印得到的初坯强度不高，还无法从粉堆中取出，因此需要对打印初坯进行热固化，将埋覆在粉末床中的打印初坯连同基板一起端出，放入加热炉中加热到80℃，保温10min，使打印初坯中的粘结剂进一步固化，热固化后从粉堆中将打印坯取出，去除其中未打印部位及表面的粉末。
将固化的试样放入到马沸炉中，首先将温度上升到250℃，保温45min，进行去胶处理，使已固化的粘结剂UV胶受热完全分解并挥发，从而被脱除，留下AlSi10Mg基材粉体材料，然后，先快速升至1200℃，再缓速升温至1600℃，然后保温2～3h进行最后阶段的烧结处理，保温完后，先缓慢降温至700℃，再随炉冷却至室温。
3D打印技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除加工技术，是一种“自下而上”的材料累加的制造方法。依据计算机上构成的工件三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓信息，3D打印设备的成型头按照这些轮廓信息在控制系统的控制下，选择性地固化或切割一层层的成型材料，形成各个截面轮廓，并逐步顺序叠加成三维工件。3D打印技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，利用三维设计数据在一台设备上可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件，从而实现“自由制造”，解决许多过去难以制造的复杂结构零件的成型，并大大减少了加工工序，产品无需组装，缩短了加工周期。而且越是复杂结构的产品，其制造的速度作用越显著。3D打印技术使技能门槛降低，大幅降低材料耗损、满足多材料无限组合。
当前，已有多种基于粉末材料的3D打印工艺出现，这些3D打印工艺可根据其成型方式分为两大类：第一类，熔融烧结法，粉末态材料先铺展在沉积区域，再逐点逐行烧结或熔化，熔化金属的方法主要是利用激光、电子束和电弧等高能量密度的加工手段，这类工艺以选择性激光烧结为代表。
第二类，粘接剂粘结法，使用粘合剂粘结粉末形成立体模型，然后通过烧结去除粘合剂，仅保留成型材料部件，这类工艺以三维印刷快速成型技术为代表，颗粒增强金属基复合材料粉末的成型工艺基本上都集中在第一类烧结法，用粘结法加工金属基复合材料零件少有研究，采用3DP法三维打印制备金属基复合材料的制件，相对于采用激光、电子束和电弧等三维打印方法来说。
成本低，体积小，无需复杂昂贵的激光、电子束等系统，能耗小，设备整体造价大大降低，喷射结构高度集成化，没有庞大的辅助设备，结构紧凑,成型速度快成型喷头一般具有多个喷嘴，喷射粘结剂的速度要比熔融烧结法单点逐线扫描快速得多，完成一个原型制件的成型时间有时只需半小时,成型过程无污染成型过程中无大量热产生，无毒无污染，环境友好。
本发明的有益效果是：
(1)成本低，体积小，无需复杂昂贵的激光、电子束等系统，能耗小，设备整体造价大大降低，喷射结构高度集成化，没有庞大的辅助设备，结构紧凑；
(2)成型速度快，喷头一般具有多个喷嘴，喷射粘结剂的速度要比熔融烧结法单点逐线扫描快速得多，完成一个小型原型制件的成型时间有时只需半小时；
(3)成型过程无毒无污染，成型过程中无大量热产生，环境友好。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种金属基复合材料粉末的三维印刷快速成型方法,其特征在于：包括以下步骤：
A、配制用于三维打印的打印粉末；
B、采用两次铺粉的方法进行铺粉；
C、在刚才铺好的粉末上，通过逐行扫描的方式，按需喷射出相配的粘接剂；
D、打印层完成铺粉、喷胶后，采用UV灯扫描照射进行初步固化，初步固化后进一步固化；
E、将固化的试样放入到马沸炉中进行高温处理。
2.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料粉末的三维印刷快速成型方法,其特征在于：根据步骤A三维打印的打印粉末中包含AlSi10Mg粉末80μm74vol.％，SiC粉末5μm26vol.％，将两种粉末初步混合以后，采用高能球磨机进行球磨。
3.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料粉末的三维印刷快速成型方法,其特征在于：根据步骤B将传统的单次“逆转辊”变成连续采用两次“逆转辊”铺粉来完成一层粉末的铺制，最终铺制的粉末层层厚为250μm，最小层厚由所选粉末的最大粒径决定，最小层厚不小于粉末最大粒径的3倍。
4.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料粉末的三维印刷快速成型方法,其特征在于：根据步骤B两次铺粉法铺制一层厚度为250μm的粉末层包含以下步骤：
a、用辊筒将一定量的粉末从储粉腔推到成型腔前面，粉床下降层厚250μm加上额外层厚70μm的距离，在成型腔中留出铺粉空间；
b、进行第一次“逆转辊”铺粉操作，辊筒边旋转、边振动、边向前滚动，将厚度为250+70μm的临时粉末层均匀地摊开在成型腔表面，辊筒角速度为1.5rev/s，辊筒水平速度为75mm/s，施加振动可有效提高粉床的致密度；
c、第一次“逆转辊”铺粉完成后，将粉床上升，粉床上升的高度为额外层厚70μm；
d、进行第二次“逆转辊”铺粉操作，辊筒边旋转、边向后滚动，推抹掉第一轮铺粉特意留下的高度为70μm的额外粉层，最终在粉床表面留下所需厚度为250μm的均匀分布的粉末层；
e、第二次辊粉过程中无需振动，且辊筒旋转方向与第一次辊粉相反。所得到的粉末平面比第一次更加平整光滑，因为没有施加振动且所辊的粉相对于第一次更加均匀一致。
5.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料粉末的三维印刷快速成型方法,其特征在于：根据步骤C粘结剂包括UV胶96％、增流剂PVP2.5％、保湿剂丙三醇0.9％、对苯二酚0.6％，喷射液滴直径为12μm，喷射速度为5m/s，喷射频率为5k Hz。
6.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料粉末的三维印刷快速成型方法,其特征在于：根据步骤D每一个打印层完成铺粉、喷胶后，采用UV灯扫描照射打印层，使粘结剂得到初步固化，光照强度为1500-1700mw.cm2，每一层粉末光固化时，选择较快的UV灯扫描速度，光照时间控制在15s-16s，本成型使用的3D打印设备的喷头采用压电式喷射原理。
7.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料粉末的三维印刷快速成型方法,其特征在于：根据步骤D将埋覆在粉末床中的打印初坯连同基板一起端出，放入加热炉中加热到80℃，保温10min，使打印初坯中的粘结剂进一步固化，热固化后从粉堆中将打印坯取出，去除其中未打印部位及表面的粉末。
8.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料粉末的三维印刷快速成型方法,其特征在于：根据步骤E
a、将温度上升到250℃，保温45min，进行去胶处理，使已固化的粘结剂UV胶受热完全分解并挥发，留下AlSi10Mg基材粉体材料；
b、然后，先快速升至1200℃，再缓速升温至1600℃，然后保温2～3h进行最后阶段的烧结处理；
c、保温完后，先缓慢降温至700℃，再随炉冷却至室温。
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