CN111842878A - 一种改善3dp打印产品性能的加工方法 - Google Patents

一种改善3dp打印产品性能的加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及3DP增材制造金属、陶瓷及金属陶瓷材料技术领域，尤其涉及改善3DP打印产品性能的加工方法。本发明公开了一种改善3DP打印产品性能的加工方法，其特征在于，包括将金属元素以化合物形式添加到3DP打印胶水中，通过胶水喷射打印过程中将合金元素添加到打印件材料中；所述金属元素包括Fe、Cu、Ni、Co中的一种或几种，所述材料包括金属、陶瓷、金属陶瓷中的任一种；所述化合物形式包括硫酸盐、硝酸盐、氯化物中的任一种。本发明解决了现有的3DP打印件在烧结过程中收缩严重，易产生大孔隙，严重影响打印件的力学性能等严重问题。

Description

一种改善3DP打印产品性能的加工方法
技术领域
本发明涉及金属、陶瓷及金属陶瓷材料3DP增材制造技术领域，尤其涉及一种改善3DP打印产品性能的加工方法。
背景技术
3DP打印技术又称为binder jetting技术或喷胶打印技术，是在粉末床铺粉的基础进行多喷头的喷胶和固化，通过层层叠加进行三维建构，在打印完成后进行整体固化、脱胶、烧结形成最终的3DP打印样件。
目前，常规3DP技术中胶水在最终脱胶和烧结过程中被全部去除，从而导致打印件收缩严重，易产生大孔隙，严重影响打印件的力学性能。
发明内容
本发明提供了一种改善3DP打印产品性能的加工方法，解决了现有的3DP打印件在烧结过程中收缩严重，易产生大孔隙，严重影响打印件的力学性能等严重问题。
本发明的技术方案为：
一种改善3DP打印产品性能的加工方法，其特征在于，包括将金属元素以化合物形式添加到3DP打印胶水中，通过胶水喷射打印过程中将合金元素添加到打印件中；
所述金属元素包括Fe、Cu、Ni、Co中的一种或几种，所述材料包括金属、陶瓷、金属陶瓷中的任一种；所述化合物形式包括硫酸盐、硝酸盐、氯化物中的任一种。
本发明中，将金属盐直接溶解于3DP打印胶水中，而不是直接将纯金属或合金粉体混合添加于打印粉体中，将使金属元素通过3DP打印胶水分布于打印粉体的孔隙中，显著提升了打印粉体在铺粉时的堆积密度，随后经氢气还原和高温烧结，所述金属盐中的金属离子最终以纯金属的状态极大促进打印件烧结过程的致密化过程，大幅度提升打印件烧结密度和力学性能，明显减小打印件烧结收缩率。
进一步的，所述化合物的添加量为1-60 wt%。
优选的，所述化合物的添加量为5-40 wt%。
更优选的，所述化合物的添加量为10-30 wt%。
进一步的，所述打印件材料包括金属、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷、碳化物陶瓷、碳化物金属陶瓷、碳化钛基金属陶瓷、硬质合金陶瓷、含金属的氧化物陶瓷、含金属的氮化物陶瓷、含金属的硼化物陶瓷中的任一种。
本发明中的打印材料以粉体形式逐层铺在粉末床基板上，所述打印件的材料粉体粒度为1-300微米。
优选的，所述打印件的材料粉体粒度为10-100微米。
更优选的，所述打印件的材料粉体粒度为20-50微米。
进一步的，所述加工方法包括以下具体步骤：
A）对打印件三维结构进行切片处理，定义扫描参数，扫描策略；得到打印件三维结构从下至上的各层截面实体与轮廓切片信息；
B）基板预热至一定温度；
C）将打印件材料粉体颗粒与其他添加剂的混合粉体平铺得到当前层；
D）采用3DP工艺将所述当前层按预设的打印件三维结构截面实体与轮廓进行胶水的喷射扫描，所述胶水含有金属元素以化合物；通过加热或光固化方法将胶水与当前层粉体的混合体固化；
E）重复步骤D和步骤E，得到3DP打印样件；
F) 将3DP打印样件进行整体固化、脱胶、氢气还原预烧及烧结工艺处理。
进一步的，所述固化及脱胶工艺处理的温度在550oC以下，在空气、氩气、氮气、氢气中的任一种气氛中进行。
进一步的，氢气还原预烧工艺处理温度在300-800oC之间，在氢气、氢气-氮气或氢气-氩气混合气氛中进行。
进一步的，烧结工艺处理温度在800-2000 oC之间，在氢气、氢气-氮气、氢气-氩气混合气氛、氩气、氮气、真空中的任一种气氛中进行。
本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种改善3DP打印产品性能的加工方法，解决了现有的3DP打印件在烧结过程中收缩严重，易产生大孔隙，严重影响打印件的力学性能等严重问题。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
实施例1
本实施例采用3DP打印技术制备WC-Co硬质合金样件，具体包括以下步骤：
（1）取WC粉末作为打印材料；
（2）将CoCl2加入到打印胶水中完全溶解；
（3）将WC粉末颗粒进行3DP打印，基板预热温度为150℃，控制胶水用量使得最终打印件中的WC与Co的重量比为9：1；
（4）将打印件在氩气与氢气的混合气氛中进行固化、脱胶、还原，在氩气中进行烧结，固化温度为250℃，固化时间2h，脱胶温度为450℃，脱胶时间为2h，还原温度为600℃，还原时间为2h，烧结温度为1450℃，烧结时间为2h，自然冷却后进行致密度及体积收缩率测试。
实施例2
本实施例采用3DP打印技术制备TiC-Ni金属陶瓷样件，具体包括以下步骤：
（1）取TiC粉末作为打印材料；
（2）将NiCl2加入到打印胶水中完全溶解；
（3）将TiC粉末颗粒进行3DP打印，基板预热温度为150℃，控制胶水用量使得最终打印件中的TiC与Ni的重量比为7：3；
（4）将打印件在氩气与氢气的混合气氛中进行固化、脱胶、还原，在氩气中进行烧结，固化温度为250℃，固化时间2h，脱胶温度为450℃，脱胶时间为2h，还原温度为600℃，还原时间为2h，烧结温度为1430℃，烧结时间为2h，自然冷却后进行致密度及体积收缩率测试。
实施例3
本实施例采用3DP打印技术制备Fe-Cu合金样件，具体包括以下步骤：
（1）取Fe粉末作为打印材料；
（2）将CuCl2加入到打印胶水中完全溶解；
（3）将Fe粉末颗粒进行3DP打印，基板预热温度为150℃，控制胶水用量使得最终打印件中的Fe与Cu的重量比为9：1；
（4）将打印件在氩气与氢气的混合气氛中进行固化、脱胶、还原，在氩气中进行烧结，固化温度为250℃，固化时间2h，脱胶温度为450℃，脱胶时间为2h，还原温度为600℃，还原时间为2h，烧结温度为1150℃，烧结时间为2h，自然冷却后进行致密度及体积收缩率测试。
实施例4
本实施例采用3DP打印技术制备TiB2-Fe金属陶瓷样件，具体包括以下步骤：
（1）取TiB2粉末作为打印材料；
（2）将Fe(NO3)3加入到打印胶水中完全溶解；
（3）将TiB2粉末颗粒进行3DP打印，基板预热温度为150℃，控制胶水用量使得最终打印件中的TiB2与Fe的重量比为75：25；
（4）将打印件在氩气与氢气的混合气氛中进行固化、脱胶、还原，在氩气中进行烧结，固化温度为250℃，固化时间2h，脱胶温度为450℃，脱胶时间为2h，还原温度为600℃，还原时间为2h，烧结温度为1350℃，烧结时间为2h，自然冷却后进行致密度及体积收缩率测试。
实施例5
本实施例采用3DP打印技术制备WC-Fe金属陶瓷样件，具体包括以下步骤：
（1）取WC粉末作为打印材料；
（2）将Fe(NO3)3加入到打印胶水中完全溶解；
（3）将TiB2粉末颗粒进行3DP打印，基板预热温度为150℃，控制胶水用量使得最终打印件中的WC与Fe的重量比为85：15；
（4）将打印件在氩气与氢气的混合气氛中进行固化、脱胶、还原，在氩气中进行烧结，固化温度为250℃，固化时间2h，脱胶温度为450℃，脱胶时间为2h，还原温度为600℃，还原时间为2h，烧结温度为1400℃，烧结时间为2h，自然冷却后进行致密度及体积收缩率测试。
实施例6
本实施例采用3DP打印技术制备TiC-TiN-Ni-Mo金属陶瓷样件，具体包括以下步骤：
（1）取50wt.%TiC及50wt.%TiN粉末混合作为打印材料；
（2）将NiCl2和(NH4)6Mo7O24加入到打印胶水中完全溶解；
（3）将TiC-TiN粉末颗粒进行3DP打印，基板预热温度为150℃，控制胶水用量使得最终打印件中的TiC、TiN、Ni、Mo的重量比为34:34:24:8；
（4）将打印件在氩气与氢气的混合气氛中进行固化、脱胶、还原，在氩气中进行烧结，固化温度为250℃，固化时间2h，脱胶温度为450℃，脱胶时间为2h，还原温度为600℃，还原时间为2h，烧结温度为1410℃，烧结时间为2h，自然冷却后进行致密度及体积收缩率测试。
对比例1
本对比例采用3DP打印技术制备WC-Co硬质合金样件，具体包括以下步骤：
（1）取WC-Co混合粉末作为打印材料，WC与Co的重量比为9：1；
（2）将WC-Co混合粉末颗粒进行3DP打印，基板预热温度为150℃，打印胶水中不溶解任何金属盐；
（3）将打印件在氩气中进行固化、脱胶、烧结，固化温度为250℃，固化时间2h，脱胶温度为450℃，脱胶时间为2h，烧结温度为1450℃，烧结时间为2h，自然冷却后进行致密度及体积收缩率测试。
对比例2
本对比例采用3DP打印技术制备TiC-Ni金属陶瓷样件，具体包括以下步骤：
（1）取TiC-Ni混合粉末作为打印材料，TiC与Ni的重量比为7：3；
（2）将TiC-Ni混合粉末颗粒进行3DP打印，基板预热温度为150℃，打印胶水中不溶解任何金属盐；
（3）将打印件在氩气中进行固化、脱胶、烧结，固化温度为250℃，固化时间2h，脱胶温度为450℃，脱胶时间为2h，烧结温度为1430℃，烧结时间为2h，自然冷却后进行致密度及体积收缩率测试。
对比例3
本对比例采用3DP打印技术制备Fe-Cu合金样件，具体包括以下步骤：
（1）取Fe-Cu混合粉末作为打印材料，Fe与Cu的重量比为9：1；
（2）将Fe-Cu混合粉末颗粒进行3DP打印，基板预热温度为150℃，打印胶水中不溶解任何金属盐；
（3）将打印件在氩气中进行固化、脱胶、烧结，固化温度为250℃，固化时间2h，脱胶温度为450℃，脱胶时间为2h，烧结温度为1150℃，烧结时间为2h，自然冷却后进行致密度及体积收缩率测试。
对比例4
本实施例采用3DP打印技术制备TiB2-Fe金属陶瓷样件，具体包括以下步骤：
（1）取TiB2-Fe复合粉末作为打印材料，TiB2与Fe的重量比为75：25；
（2）将TiB2-Fe复合粉末颗粒进行3DP打印，基板预热温度为150℃，胶水中不溶解任何金属盐；
（3）将打印件在氩气中进行固化、脱胶、在氩气中进行烧结，固化温度为250℃，固化时间2h，脱胶温度为450℃，脱胶时间为2h，烧结温度为1350℃，烧结时间为2h，自然冷却后进行致密度及体积收缩率测试。
对比例5
本实施例采用3DP打印技术制备WC-Fe金属陶瓷样件，具体包括以下步骤：
（1）取WC-Fe复合粉末作为打印材料，WC与Fe的重量比为85：15；
（2）将WC-Fe复合粉末颗粒进行3DP打印，基板预热温度为150℃，胶水中不溶解任何金属盐；
（3）将打印件在氩气中进行固化、脱胶，在氩气中进行烧结，固化温度为250℃，固化时间2h，脱胶温度为450℃，脱胶时间为2h，烧结温度为1400℃，烧结时间为2h，自然冷却后进行致密度及体积收缩率测试。
对比例6
本实施例采用3DP打印技术制备TiC-TiN-Ni-Mo金属陶瓷样件，具体包括以下步骤：
（1）取TiC-TiN-Ni-Mo复合粉末混合作为打印材料，TiC、TiN、Ni、Mo的重量比为34:34:24:8；
（2）将TiC-TiN-Ni-Mo粉末颗粒进行3DP打印，基板预热温度为150℃，胶水中不溶解任何金属盐；
（3）将打印件在氩气中进行固化、脱胶、在氩气中进行烧结，固化温度为250℃，固化时间2h，脱胶温度为450℃，脱胶时间为2h，烧结温度为1410℃，烧结时间为2h，自然冷却后进行致密度及体积收缩率测试。
3DP打印样件烧结收缩率测试
采用现有技术标准，对于各实施例和对比例中的3DP打印样件的烧结收缩率测试，结果如表1所示。
表1 3DP打印样件的烧结收缩率测试结果
Figure DEST_PATH_IMAGE002
从表1可以看出，与常规3DP打印（胶水中不含任何金属盐）相比，将金属盐加入到打印胶水中可以使得打印件的烧结致密度得到显著提升，而烧结收缩率得到显著降低，从而可以更好地对烧结件进行控形控性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。需注意的是，本发明中所未详细描述的技术特征，均可以通过本领域任一现有技术实现。

Claims (10)

1.一种改善3DP打印产品性能的加工方法，其特征在于，包括将金属元素以化合物形式添加到3DP打印胶水中，通过胶水喷射打印过程中将合金元素添加到打印件中；
所述金属元素包括Fe、Cu、Ni、Co中的一种或几种，所述材料包括金属、陶瓷、金属陶瓷中的任一种；所述化合物形式包括硫酸盐、硝酸盐、氯化物中的任一种。
2.根据权利要求1所述的改善3DP打印产品性能的加工方法，其特征在于，所述化合物的添加量为1-60 wt%。
3.根据权利要求2所述的改善3DP打印产品性能的加工方法，其特征在于，所述化合物的添加量为5-40 wt%。
4.根据权利要求3所述的改善3DP打印产品性能的加工方法，其特征在于，所述化合物的添加量为10-30 wt%。
5.根据权利要求1所述的改善3DP打印产品性能的加工方法，其特征在于，所述打印件材料包括金属、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷、碳化物陶瓷、碳化物金属陶瓷、碳化钛基金属陶瓷、硬质合金陶瓷、含金属的氧化物陶瓷、含金属的氮化物陶瓷、含金属的硼化物陶瓷中的任一种。
6.根据权利要求5所述的改善3DP打印产品性能的加工方法，其特征在于，所述打印件的材料粉体粒度为1-300微米。
7.根据权利要求6所述的改善3DP打印产品性能的加工方法，其特征在于，所述打印件的材料粉体粒度为10-100微米。
8.根据权利要求1-7任一项所述的改善3DP打印产品性能的加工方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
A）对打印件三维结构进行切片处理，定义扫描参数，扫描策略；得到打印件三维结构从下至上的各层截面实体与轮廓切片信息；
B）基板预热至一定温度；
C）将打印件材料粉体颗粒与其他添加剂的混合粉体平铺得到当前层；
D）采用3DP工艺将所述当前层按预设的打印件三维结构截面实体与轮廓进行胶水的喷射扫描，所述胶水含有金属元素以化合物；通过加热或光固化方法将胶水与当前层粉体的混合体固化；
E）重复步骤D和步骤E，得到3DP打印样件；
F) 将3DP打印样件进行整体固化、脱胶、氢气还原预烧及烧结工艺处理。
9.根据权利要求8所述的改善3DP打印产品性能的加工方法，其特征在于，所述固化及脱胶工艺处理的温度在550oC以下，在空气、氩气、氮气、氢气中的任一种气氛中进行。
10.根据权利要求9所述的改善3DP打印产品性能的加工方法，其特征在于，氢气还原预烧工艺处理温度在300-800oC之间，在氢气、氢气-氮气或氢气-氩气混合气氛中进行；
烧结工艺处理温度在800-2000 oC之间，在氢气、氢气-氮气、氢气-氩气混合气氛、氩气、氮气、真空中的任一种气氛中进行。
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