CN111014662B - 一种用于间接增材制造的成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于间接增材制造的成形方法，包括准备待成形粉末材料和光敏树脂粘结剂，将待成形粉末材料和光敏树脂粘结剂分别装入成形设备中，根据所需零件当前切片层信息在成形平台上铺设一个层厚的粉末层，在粉末层上喷射光敏树脂粘结剂，对粉末层进行曝光，待固化后，使成形平台下降一个层厚；重复铺粉、喷射粘结剂和粉末层曝光，直到完成整个零件坯体的成形；对坯体进行脱脂和烧结，即获得所需增材制造零件。本发明将待成形粉末材料和粘结剂分别装入成形设备中，避免了喷头堵塞；对粉末层进行曝光固化，提高了零件的成形精度。

Description

一种用于间接增材制造的成形方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，涉及一种用于间接增材制造的成形方法。
背景技术
间接增材制造技术是一种结合了增材制造与粉末冶金两种技术优势的新兴成形技术，该技术理论上可用于金属、合金、陶瓷及复合材料等众多材质零件的生产。其生产过程为：首先，利用增材制造技术生产待成形零件坯体；然后，借助粉末冶金技术脱脂过程将坯体内的粘结剂去除；最后，借助粉末冶金技术烧结过程获得最终零件。
如今已开发成熟的间接增材制造技术，主要有基于熔融挤出、选择性烧结、材料喷射、光固化及丝网印刷五类工艺。其中基于熔融挤出工艺的间接增材制造技术，由于精度较差，在成形后需要较多的后处理；基于选择性烧结工艺的间接增材制造技术，由于致密化难度大目前已较少使用；基于材料喷射、光固化及丝网印刷三种工艺的间接增材制造技术，其成形精度相对较高、致密化也相对容易，但基于材料喷射工艺的间接增材制造技术，由于需要使用喷头点阵，喷头点阵的精度会影响其成形精度，同时为避免喷头堵塞其能够使用的粘结剂种类受限；基于光固化工艺的间接增材制造技术，由于使用的材料是粉末与光敏树脂的混合物，光在粉末与光敏树脂间折射、反射作用会影响其成形精度，同时能够得到均匀、稳定混合物的粉末与光敏树脂种类受限；基于丝网印刷工艺的间接增材造技术，则由于成本高，存在难以产业化的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于间接增材制造的成形方法，解决了现有间接增材制造成形方法成形精度差和致密化难度大的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种用于间接增材制造的成形方法，包括以下步骤：
步骤S1，准备待成形粉末材料和光敏树脂粘结剂，并将待成形粉末材料和光敏树脂粘结剂分别装入成形设备中；
步骤S2，使成形设备中的铺粉装置在成形平台上铺设一个层厚的粉末层，再使粘结剂喷射装置根据成形零件当前层截面信息在所述粉末层上喷射光敏树脂粘结剂；
步骤S3，对粉末层进行曝光，待固化后，使成形平台下降一个层厚；
步骤S4，重复步骤S2和S3，直到完成整个零件坯体的成形；
步骤S5，对坯体进行脱脂和烧结，即获得所需增材制造零件。
本发明的技术特征还在于，
其中，待成形粉末材料的粒度为5um-30um。
步骤S1中，准备待成形粉末材料，包括将待成形粉末材料在温度为140～160℃的条件下干燥1.5h～2.5h。
光敏树脂粘结剂由可发生光固化反应的单体、稀释剂和光引发剂混合制成。
粉末层的层厚为30um-150um。
步骤S3中，对粉末层进行曝光，采用紫外光曝光装置按照零件当前层截面信息以线扫描或面扫描的曝光形式对粉末层进行曝光。
曝光过程中，曝光参数设定依据为，在设定的曝光参量下，能够固结粉末的厚度为粉末层层厚的1.2-2倍。
紫外光曝光装置曝光的区域与粘结剂喷射装置喷射粘结剂的区域一致。
步骤S5中，对坯体进行脱脂前，先对坯体进行后处理，后处理包括清除坯体内部及表面未成形粉末和粘附粉末。
步骤S5中，后处理包括对坯体进行打磨和抛光处理。
本发明的有益效果是，将待成形粉末材料和粘结剂分别装入成形设备中，避免了喷头堵塞；根据零件当前切片层信息在成形平台上铺设粉末层，在粉末层上喷射光敏树脂粘结剂，对粉末层进行曝光固化，减弱了光在粉末与光敏树脂粘结剂之间的折射和反射干扰，提高了零件的成形精度；在底部粉末层固化后再铺设第二层粉末层，提高了零件的成形精度和致密度。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种用于间接增材制造的成形方法，包括以下步骤：
步骤S1，准备待成形粉末材料和光敏树脂粘结剂，并将待成形粉末材料和光敏树脂粘结剂分别装入成形设备中，具体包括以下步骤：
步骤S1.1，准备待成形粉末材料，即将粒度为5um-30um的待成形粉末材料在温度为140～160℃的条件下干燥1.5h～2.5h；
步骤S1.2，准备光敏树脂粘结剂，光敏树脂粘结剂由可发生光固化反应的单体、稀释剂和光引发剂混合制成；
步骤S1.3，将准备的待成形粉末材料和光敏树脂粘结剂分别装入成形设备中；
步骤S2，铺设粉末层和喷射光敏树脂粘结剂，具体包括以下步骤：
步骤S2.1，根据所需金属零件形状，采用三维造型软件设计出零件的三维模型，将文件的数据信息输送到成形设备中；
步骤S2.2，使成形设备中的铺粉装置在成形平台上铺设一个层厚的粉末层，粉末层的层厚为30um-150um；
步骤S2.3，使粘结剂喷射装置根据成形零件当前层截面信息在粉末层上喷射光敏树脂粘结剂；
步骤S3，对粉末层进行曝光，采用紫外光曝光装置按照零件当前层截面信息以线扫描或面扫描的曝光形式对粉末层进行曝光，待粉末层固化后，使成形平台下降一个层厚；曝光过程中，曝光参数设定依据为，在设定的曝光参量下，能够固结粉末的厚度为分层厚度的1.2-2倍；紫外光曝光装置曝光的区域与粘结剂喷射装置喷射粘结剂的区域一致，即紫外光曝光装置与粘结剂喷射装置喷射粘结剂使用的零件当前层截面信息相同；
步骤S4，重复步骤S2和S3，直到完成整个零件坯体的成形；
步骤S5，对坯体依次进行后处理、脱脂和烧结，具体包括以下步骤：
步骤S5.1，对坯体依次进行后处理，清除坯体内部及表面未成形粉末和粘附粉末，然后对坯体进行打磨和抛光处理；
步骤S5.2，对后处理的坯体进行脱脂，将坯体放于烧结炉中，升温至一定温度后保温一段时间，使坯体完全脱脂，最后随炉冷却；
步骤S5.3，对脱脂后的坯体进行烧结，即获得所需增材制造零件。
实施例1
一种钨金属零件的间接增材制造成形方法，包括以下步骤：
步骤S1，准备待成形粉末材料和光敏树脂粘结剂，并将待成形粉末材料和光敏树脂粘结剂分别装入成形设备中，具体包括以下步骤：
步骤S1.1，准备待成形粉末材料，即将粒度为25um的金属钨粉末在150℃的条件下干燥2h待用；
步骤S1.2，准备光敏树脂粘结剂，光敏树脂粘结剂由脂环族环氧树脂、多官能团丙烯酸酯和光引发剂Irgacure184混合均匀制成；
步骤S1.3，将准备的待成形粉末材料和光敏树脂粘结剂分别装入成形设备中；
步骤S2，铺设粉末层和喷射光敏树脂粘结剂，具体包括以下步骤：
步骤S2.1，根据所需金属零件形状，采用三维造型软件设计出零件的三维模型，将文件的数据信息输送到成形设备中；
步骤S2.2，根据所需零件当前切片层信息，通过橡胶刮刀运动在成形平台上铺设一个层厚的粉末层，粉末层的层厚为30um；
步骤S2.3，使粘结剂喷头根据成形零件当前层截面信息在粉末层上喷射光敏树脂粘结剂；
步骤S3，对粉末层进行曝光，采用紫外光曝光装置按照零件当前层截面信息以线扫描的曝光形式对粉末层进行曝光，待粉末层上零件当前层的截面区域固化完成后，使成形平台下降一个层厚的距离；
曝光过程中，曝光参数设定依据为，在设定的曝光参量下，能够固结粉末的厚度为分层厚度的1.5倍；紫外光曝光装置与粘结剂喷头喷射粘结剂使用的零件当前层截面信息相同；
步骤S4，重复步骤S2和S3，直到完成整个零件坯体的成形；
步骤S5，对坯体依次进行后处理、脱脂和烧结，具体包括以下步骤：
步骤S5.1，对坯体依次进行后处理，清除坯体内部及表面未成形粉末和粘附粉末，对坯体进行打磨和抛光处理，提高了零件的成形精度；
步骤S5.2，对后处理的坯体进行脱脂，将坯体放于烧结炉中，在常压、氩气环境下，以1℃/min的升温速率将炉温从室温升高到600℃，保温10h后随炉冷却，即完成对坯体的脱脂；
步骤S5.3，对脱脂后的坯体进行烧结，在氩气环境下，气体压力为200MPa，以4℃/min的升温速率将烧结炉中炉温从室温升高到900℃保温1h，然后以8℃/min的升温速率升到1600℃保温1.5h，随炉冷却至室温，即获得致密度较高的钨金属零件。
实施例2
一种316L不锈钢零件的间接增材制造成形方法，包括以下步骤：
步骤S1，准备待成形粉末材料和光敏树脂粘结剂，并将待成形粉末材料和光敏树脂粘结剂分别装入成形设备中，具体包括以下步骤：
步骤S1.1，准备待成形粉末材料，即将粒度为10um的316L不锈钢粉末在140℃的条件下干燥1.5h待用；
步骤S1.2，准备光敏树脂粘结剂，光敏树脂粘结剂由三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、丙氧基化丙烯酸酯和光引发剂安息香双甲醚混合均匀制成；
步骤S1.3，将准备的待成形粉末材料和光敏树脂粘结剂分别装入成形设备中；
步骤S2，铺设粉末层和喷射光敏树脂粘结剂，具体包括以下步骤：
步骤S2.1，根据所需金属零件形状，采用三维造型软件设计出零件的三维模型，将文件的数据信息输送到成形设备中；
步骤S2.2，根据所需零件当前切片层信息，通过橡胶刮刀运动在成形平台上铺设一个层厚的粉末层，粉末层的层厚为50um；
步骤S2.3，使粘结剂喷头根据成形零件当前层截面信息在粉末层对应区域喷射光敏树脂粘结剂；
步骤S3，对粉末层进行曝光，采用紫外光曝光装置按照零件当前层截面信息以线扫描的曝光形式对粉末层进行曝光，待粉末层上零件当前层的截面区域固化完成后，使成形平台下降一个层厚的距离；
曝光过程中，曝光参数设定依据为，在设定的曝光参量下，能够固结粉末的厚度为分层厚度的1.2倍；紫外光曝光装置与粘结剂喷头喷射粘结剂使用的零件当前层截面信息相同；
步骤S4，重复步骤S2和S3，直到完成整个零件坯体的成形；
步骤S5，对坯体依次进行后处理、脱脂和烧结，具体包括以下步骤：
步骤S5.1，对坯体依次进行后处理，清除坯体内部及表面未成形粉末和粘附粉末，对坯体进行打磨和抛光处理，提高了零件的成形精度；
步骤S5.2，对后处理的坯体进行脱脂，将坯体放于烧结炉中，在常压、氩气环境下，以1℃/min的升温速率将炉温从室温升高到600℃，保温2h后随炉冷却，即完成对坯体的脱脂；
步骤S5.3，对脱脂后的坯体进行烧结，在真空环境下，以2℃/min的升温速率将烧结炉中炉温从室温升高到900℃保温1h，然后以5℃/min的升温速率升到1200℃保温2h，随炉冷却至室温，即获得致密度较高的316L不锈钢零件。
实施例3
一种氧化铝陶瓷零件的间接增材制造成形方法，包括以下步骤：
步骤S1，准备待成形粉末材料和光敏树脂粘结剂，并将待成形粉末材料和光敏树脂粘结剂分别装入成形设备中，具体包括以下步骤：
步骤S1.1，准备待成形粉末材料，即将粒度为20um的氧化铝粉末在160℃的条件下干燥2.5h，然后将干燥后的氧化铝粉末与分散剂聚丙烯酸铵和相溶剂多元醇混合均匀待用；
步骤S1.2，准备光敏树脂粘结剂，光敏树脂粘结剂由1,6-己二醇二丙烯酸酯、乙氧基化丙烯酸酯和光引发剂安息香双甲醚混合均匀制成；
步骤S1.3，将准备的待成形粉末材料和光敏树脂粘结剂分别装入成形设备中；
步骤S2，铺设粉末层和喷射光敏树脂粘结剂，具体包括以下步骤：
步骤S2.1，根据所需金属零件形状，采用三维造型软件设计出零件的三维模型，将文件的数据信息输送到成形设备中；
步骤S2.2，根据所需零件当前切片层信息，通过陶瓷刮刀运动在成形平台上铺设一个层厚的粉末层，一个层厚为60um；
步骤S2.3，使粘结剂喷头根据成形零件当前层截面信息在粉末层对应区域喷射光敏树脂粘结剂；
步骤S3，对粉末层进行曝光，采用紫外光曝光装置按照零件当前层截面信息以线扫描的曝光形式对粉末层进行曝光，待粉末层上零件当前层的截面区域固化完成后，使成形平台下降一个层厚的距离；
曝光过程中，曝光参数设定依据为，在设定的曝光参量下，能够固结粉末的厚度为分层厚度的1.4倍；紫外光曝光装置与粘结剂喷头喷射粘结剂使用的零件当前层截面信息相同；
步骤S4，重复步骤S2和S3，直到完成整个零件坯体的成形；
步骤S5，对坯体依次进行后处理、脱脂和烧结，具体包括以下步骤：
步骤S5.1，对坯体依次进行后处理，清除坯体内部及表面未成形粉末和粘附粉末，对坯体进行打磨和抛光处理，整个过程动作尽量轻柔，以免损伤坯体，提高了零件的成形精度；
步骤S5.2，对后处理的坯体进行脱脂，将坯体放于烧结炉中，在常压、氩气环境下，以0.3℃/min的升温速率将炉温从室温升高到450℃，保温8h后随炉冷却，即完成对坯体的脱脂；
步骤S5.3，对脱脂后的坯体进行烧结，以5℃/min的升温速率将烧结炉中炉温从室温升高到800℃保温1h，然后以6℃/min的升温速率升到1500℃保温1h，随炉冷却至室温，即获得致密度较高的氧化铝陶瓷零件。
实施例4
一种碳化硅增强铝合金零件的间接增材制造成形方法，包括以下步骤：
步骤S1，准备待成形粉末材料和光敏树脂粘结剂，并将待成形粉末材料和光敏树脂粘结剂分别装入成形设备中，具体包括以下步骤：
步骤S1.1，准备待成形粉末材料，即将粒度为15um的铝合金粉末和粒度为5um的碳化硅粉末在150℃的条件下干燥2h，然后将干燥后的铝合金粉末、碳化硅粉末、分散剂柠檬酸铵和相溶剂多元醇混合均匀，在氩气保护下球磨24h待用；
步骤S1.2，准备光敏树脂粘结剂，光敏树脂粘结剂由三丙二醇二丙烯酸酯、乙氧基化丙烯酸酯和光引发剂Irgacure 651混合均匀制成；
步骤S1.3，将准备的待成形粉末材料和光敏树脂粘结剂分别装入成形设备中；
步骤S2，铺设粉末层和喷射光敏树脂粘结剂，具体包括以下步骤：
步骤S2.1，根据所需金属零件形状，采用三维造型软件设计出零件的三维模型，将文件的数据信息输送到成形设备中；
步骤S2.2，根据所需零件当前切片层信息，通过陶瓷刮刀运动在成形平台上铺设一个层厚的粉末层，一个层厚为150um；
步骤S2.3，使粘结剂喷头根据成形零件当前层截面信息在粉末层对应区域喷射光敏树脂粘结剂；
步骤S3，对粉末层进行曝光，采用紫外光曝光装置按照零件当前层截面信息以面扫描的曝光形式对粉末层进行曝光，待粉末层上零件当前层的截面区域固化完成后，使成形平台下降一个层厚的距离；
曝光过程中，曝光参数设定依据为，在设定的曝光参量下，能够固结粉末的厚度为分层厚度的2倍；紫外光曝光装置与粘结剂喷头喷射粘结剂使用的零件当前层截面信息相同；
步骤S4，重复步骤S2和S3，直到完成整个零件坯体的成形；
步骤S5，对坯体依次进行后处理、脱脂和烧结，具体包括以下步骤：
步骤S5.1，对坯体依次进行后处理，清除坯体内部及表面未成形粉末和粘附粉末，对坯体进行打磨和抛光处理，整个过程动作尽量轻柔，以免损伤坯体，提高了零件的成形精度；
步骤S5.2，对后处理的坯体进行脱脂，将坯体放于烧结炉中，在氩气环境下，以0.1℃/min的升温速率将炉温从室温升高到380℃，保温5h后随炉冷却，即完成对坯体的脱脂；
步骤S5.3，对脱脂后的坯体进行烧结，在氩气保护环境下，以5℃/min的升温速率将烧结炉中炉温从室温升高到550℃保温1h，随炉冷却至室温，即获得致密度较高的碳化硅增强铝合金零件。

Claims (5)

1.一种用于间接增材制造的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，准备待成形粉末材料和光敏树脂粘结剂，并将所述待成形粉末材料和光敏树脂粘结剂分别装入成形设备中；所述待成形粉末材料的粒度为5um-30um；
步骤S2，使成形设备中的铺粉装置在成形平台上铺设一个层厚的粉末层，再使粘结剂喷射装置根据成形零件当前层截面信息在所述粉末层上喷射光敏树脂粘结剂；所述粉末层的层厚为30um-150um；
步骤S3，对粉末层进行曝光，采用紫外光曝光装置按照零件当前层截面信息以线扫描或面扫描的曝光形式对粉末层进行曝光，待固化后，使成形平台下降一个层厚；
所述曝光过程中，曝光参数设定依据为，在设定的曝光参量下，能够固结粉末的厚度为粉末层层厚的1.2-2倍，所述紫外光曝光装置曝光的区域与粘结剂喷射装置喷射粘结剂的区域一致；
步骤S4，重复步骤S2和S3，直到完成整个零件坯体的成形；
步骤S5，对坯体进行脱脂和烧结，即获得所需增材制造零件。
2.根据权利要求1所述的一种用于间接增材制造的成形方法，其特征在于，所述步骤S1中，准备待成形粉末材料，包括将待成形粉末材料在温度为140～160℃的条件下干燥1.5h～2.5h。
3.根据权利要求1所述的一种用于间接增材制造的成形方法，其特征在于，所述光敏树脂粘结剂由可发生光固化反应的单体、稀释剂和光引发剂混合制成。
4.根据权利要求1所述的一种用于间接增材制造的成形方法，其特征在于，所述步骤S5中，对坯体进行脱脂前，先对坯体进行后处理，后处理包括清除坯体内部及表面未成形粉末和粘附粉末。
5.根据权利要求4所述的一种用于间接增材制造的成形方法，其特征在于，所述步骤S5中，后处理包括对坯体进行打磨和抛光处理。
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