CN112792356B - 一种清除3d打印金属样品中半烧结粉末的方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及3D打印材料加工技术领域,具体涉及一种清除3D打印金属样品中半烧结粉末的方法及设备。本发明的清除3D打印金属样品中半烧结粉末的方法,包括以下步骤:采用超高压水射流设备对3D打印金属样品中半烧结粉末进行清除,所述超高压水射流设备的水射流压力为50~200MPa,超高压水射流设备的水射流冲击时间为1~30min,所述超高压水射流设备的喷嘴与待处理的3D打印金属样品之间的距离为1~30mm。本发明的清除3D打印金属样品中半烧结粉末的方法,在彻底清除半烧结的粉末的同时,还能增加样品的显微硬度,提高样品的耐磨性能,从而延长了样品的耐用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印材料加工技术领域,具体涉及一种清除3D打印金属样品中半烧结粉末的方法及设备。
背景技术
在生物医学中,为了得到骨小梁/仿松质骨结构,在人工关节、股骨柄等假体材料器件中,必须有随机分布的微孔,它应满足孔隙率为65%,孔径为200-400μm,孔径深度为0.8~1mm这些条件。而现有技术中常采用3D打印的方法制备具有骨小梁/仿松质骨结构的假体器件,不可避免的会随机分布有半烧结状态的金属粉末,且半烧结的金属粉末难以清除,进而影响植入假体的使用安全性及孔隙率等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种清除3D打印金属样品中半烧结粉末的方法,该方法能够彻底清除3D打印金属样品中半烧结的粉末且能够提高3D打印金属样品的表面硬度。
本发明的第二个目的在于提供一种清除3D打印金属样品中半烧结粉末的设备。
为实现上述目的,本发明的技术方案是:
一种清除3D打印金属样品中半烧结粉末的方法,包括以下步骤:采用超高压水射流设备对3D打印金属样品中半烧结的粉末进行清除,所述超高压水射流设备的水射流压力为50~200MPa,所述超高压水射流设备的水射流冲击时间为1~30min,所述超高压水射流设备的喷嘴与待处理的3D打印金属样品之间的距离为1~30mm。
采用超高压水射流设备对3D打印金属样品中半烧结的粉末进行清除,以水为介质加压至超高压状态,利用小孔喷射原理,将超高压的水能转换为“水箭”,通过控制水射流的压力、冲击时间及靶距实现对3D打印金属样品中半烧结的粉末的清除,且处理后的样品内应力分布更为均匀,使其力学性能得到进一步提升,延长其使用寿命。
所述3D打印金属样品为具有骨小梁/仿松质骨结构的钛合金假体、钽合金假体、不锈钢假体、钴铬钼假体中的任意一种,所述半烧结粉末为钛合金粉末、钽合金粉末、不锈钢粉末、钴铬钼粉末。
所述3D打印金属样品为具有骨小梁/仿松质骨结构的钛合金假体,所述半烧结粉末为钛合金粉末时,超高压水射流设备的水射流压力大于50MPa且小于180MPa。
所述3D打印金属样品为具有骨小梁/仿松质骨结构的钽合金假体、不锈钢假体、钴铬钼假体中的任意一种,所述半烧结粉末为钽合金粉末、不锈钢粉末、钴铬钼粉末中的任意一种时,所述超高压水射流设备的水射流压力为100~200MPa。
所述超高压水射流设备为C9-Husky的超高压水射流设备。可以理解的,本发明也可以采用其它型号的超高压水射流设备。可以理解的,对于大面积和立体结构的样品需要移动超高压水射流加工的区域。
一种清除3D打印金属样品中半烧结粉末的设备,包括超高压水射流设备。
所述清除3D打印金属样品中半烧结粉末的设备用于上述清除3D打印金属样品中半烧结粉末的方法中。
上述清除3D打印金属样品中半烧结粉末的设备,还包括能精确控制被加工工件移动的多轴平移台或机械臂,以及控制软件及控制模块。
上述清除3D打印金属样品中半烧结粉末的设备,还包括程式化的、可以针对不同有机、金属、合金等材料进行超高压射流压力、时间、喷嘴距离的自动控制的软件及模块。
另外,还能基于本发明思路设计超高压水射流清除半烧结粉末设备以及集超高压水射流清除半烧结粉末设备与3D打印等于一体的集成设备。
本发明的清除3D打印金属样品中半烧结粉末的方法,在室温与大气压下即可进行,水射流要选用合适的参数,尤其重要的是清除时所采用的水射流压力、水射流冲击时间与清除时喷嘴与样品的靶距。本发明经过长期的试验及研究得到了最佳的水射流压力、水射流冲击时间以及靶距之间的最佳匹配关系,进而使得用超高压水射流能够彻底清除金属样品半烧结的粉末并使骨小梁/仿松质骨结构不形变、不受损伤并能使样品表面得到强化。
本发明的清除3D打印金属样品中半烧结粉末的方法,在彻底清除半烧结的粉末的同时,还能使样品的表面强化,这有益于增加样品的耐疲劳与耐腐蚀的能力,同时还能增加样品的显微硬度,这有益于提高样品的耐磨性能,从而延长了样品的耐用寿命。本发明采用超高压水射流技术对3D打印金属样品进行处理,能够强化强化表面,不但能满足环保要求,而且使用成本低廉,操作简便,极易推广。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为实施例1中处理前钛合金假体材料的扫描电镜图;
图2为实施例1中处理后钛合金假体材料的扫描电镜图;
图3为实施例2中处理前钛合金假体材料的扫描电镜图;
图4为实施例2中处理后钛合金假体材料的扫描电镜图;
图5为实施例3中处理前钛合金假体材料的扫描电镜图;
图6为实施例3中处理后钛合金假体材料的扫描电镜图;
图7为实施例4中处理前钛合金假体材料的扫描电镜图;
图8为实施例4中处理后钛合金假体材料的扫描电镜图。
具体实施方式
下述实施例1-4中所用到的具有骨小梁/仿松质骨结构的钛合金假体材料,采用比利时生产的3D System公司的DMP320型的打印设备,并用TC4粉末制得。
下述实施例5-6中所用到的具有骨小梁/仿松质骨结构的钽合金假体材料和具有悬梁结构的模具钢材料,采用比利时生产的3D System公司的DMP320型的打印设备,并分别用钽合金粉末和模具钢粉末制得。
本发明清除3D打印金属样品中半烧结粉末的方法,包括以下步骤:采用超高压水射流设备对3D打印金属样品中半烧结的粉末进行清除,所述超高压水射流设备的水射流压力为50~200MPa,所述超高压水射流设备的水射流冲击时间为1~30min,所述超高压水射流设备的喷嘴与待处理的3D打印金属样品之间的距离为1~30mm。
所述3D打印金属样品为具有骨小梁/仿松质骨结构的钛合金假体、钽合金假体、不锈钢假体、钴铬钼假体中的任意一种,所述半烧结粉末为钛合金粉末、钽合金粉末、不锈钢粉末、钴铬钼粉末。
所述3D打印金属样品为具有骨小梁/仿松质骨结构的钛合金假体,所述半烧结粉末为钛合金粉末时,超高压水射流设备的水射流压力大于50MPa且小于180MPa。
所述3D打印金属样品为具有骨小梁/仿松质骨结构的钽合金假体、不锈钢假体、钴铬钼假体中的任意一种,所述半烧结粉末为钽合金粉末、不锈钢粉末、钴铬钼粉末中的任意一种时,所述超高压水射流设备的水射流压力为100~200MPa。
所述超高压水射流设备为C9-Husky的超高压水射流设备。可以理解的,本发明也可以采用其它型号的超高压水射流设备。可以理解的,对于大面积和立体结构的样品需要移动超高压水射流加工的区域。
一种清除3D打印金属样品中半烧结粉末的设备,包括超高压水射流设备。
所述清除3D打印金属样品中半烧结粉末的设备用于上述清除3D打印金属样品中半烧结粉末的方法中。
上述清除3D打印金属样品中半烧结粉末的设备,还包括能精确控制被加工工件移动的多轴平移台或机械臂,以及控制软件及模块。
上述清除3D打印金属样品中半烧结粉末的设备,还包括程式化的、可以针对不同有机、金属、合金等材料进行超高压射流压力、时间、喷嘴距离的自动控制的软件及模块。
实施例1
本实施例的清除3D打印金属样品中半烧结粉末的方法,包括以下步骤:
采用超高压水射流设备对具有骨小梁/仿松质骨结构的钛合金假体材料中半烧结的钛合金粉末进行清除,超高压水射流设备的喷嘴与待处理的钛合金假体材料之间的距离为30mm,超高压水射流设备的水射流压力为80MPa,水射流冲击时间为20min。
实施例2
本实施例的清除3D打印金属样品中半烧结粉末的方法,包括以下步骤:
采用超高压水射流设备对具有骨小梁/仿松质骨结构的钛合金假体材料中半烧结的钛合金粉末进行清除,超高压水射流设备的喷嘴与待处理的钛合金假体材料之间的距离为15mm,超高压水射流设备的水射流压力为100MPa,水射流冲击时间为20min。
实施例3
本实施例的清除3D打印金属样品中半烧结粉末的方法,包括以下步骤:
采用超高压水射流设备对具有骨小梁/仿松质骨结构的钛合金假体材料中半烧结的钛合金粉末进行清除,超高压水射流设备的喷嘴与待处理的钛合金假体材料之间的距离为15mm,超高压水射流设备的水射流压力为140MPa,水射流冲击时间为10min。
实施例4
本实施例的清除3D打印金属样品中半烧结粉末的方法,包括以下步骤:
采用超高压水射流设备对具有骨小梁/仿松质骨结构的钛合金假体材料半烧结的钛合金粉末进行清除,超高压水射流设备的喷嘴与待处理的钛合金假体材料之间的距离为20mm,超高压水射流设备的水射流压力为180MPa,水射流冲击时间为3min。
实施例5
本实施例的清除3D打印金属样品中半烧结粉末的方法,包括以下步骤:
采用超高压水射流设备对具有骨小梁/仿松质骨结构的钽合金假体材料的半烧结钽合金粉末进行清除,超高压水射流设备的喷嘴与待处理的钽合金假体材料之间的距离为15mm,超高压水射流设备的水射流压力为180MPa,水射流冲击时间为10min。
实施例6
本实施例的清除3D打印金属样品中半烧结粉末的方法,包括以下步骤:
采用超高压水射流设备对悬梁结构的模具钢材料中半烧结模具钢粉末进行清除,超高压水射流设备的喷嘴与待处理的悬梁结构模具钢之间的距离为15mm,超高压水射流设备的水射流压力为200MPa,水射流冲击时间为10min。
实施例7
本实施例清除3D打印金属样品中半烧结粉末的设备,包括超高压水射流设备、能精确控制被加工工件移动的多轴平移台或机械臂,以及控制软件及模块。
本实施例清除3D打印金属样品中半烧结粉末的设备,还包括程式化的、可以针对不同有机、金属、合金等材料进行超高压射流压力、时间、喷嘴距离的自动控制的软件及模块。
实验例1
分别对实施例1-4中采用超高压水射流设备处理前后的钛合金假体材料进行扫描电镜测试,结果如图1-图8所示。扫描电镜测试采用德国生产的ZeissSigma500扫描电镜。
其中,图1和图2分别为实施例1中采用超高压水射流设备处理前、后的钛合金假体材料的扫描电镜图;由图1可明显看出,处理前钛合金假体材料明显存在半烧结粉末,而经超高压水射流设备处理后的钛合金假体材料的SEM图(图2)骨小梁结构更为清晰,且骨小梁结构周围及材料内部无粉末,由图1和图2的对比可知,超高压水射流彻底的清除了原钛合金假体材料的半烧结粉末,表面光洁度明显提高,骨小梁结构没有形变。用硬度计测得处理前钛合金假体材料显微硬度350HV,处理后显微硬度可达360HV,处理后钛合金假体材料的力学性能得到提高。
图3和图4分别为实施例2中采用超高压水射流设备处理前、后的钛合金假体材料的扫描电镜图;由图3和图4的对比可知,超高压水射流彻底的清除了原钛合金假体材料的半烧结粉末,表面光洁度明显提高,骨小梁结构没有形变。用硬度计测得处理前钛合金假体材料显微硬度362HV,处理后显微硬度可达380HV。
图5和图6分别为实施例3中采用超高压水射流设备处理前、后的钛合金假体材料的扫描电镜图;当水射流压力增至140MPa,水射流冲击时间仍为10分钟时,由清洗前后扫描图像对比可知,这时骨小梁周围的半烧结粉末已被清除。用硬度计测得处理前钛合金假体材料显微硬度365HV,处理后显微硬度可达390HV,处理后其显微硬度得以明显提升,表面强化效果好。
图7和图8分别为实施例4中采用超高压水射流设备处理前、后的钛合金假体材料的扫描电镜图;当水射流压力增至180MPa,水射流冲击时间达3分钟时,骨小梁周围的粉末已被清除,但部分骨小梁结构已被破坏。
由上述分析可知,对于钛合金假体材料,采用超高压水射流设备处理的最佳水射流压力为80~180MPa且不包括180MPa。
采用同样的方法对实施例5-6中处理前后的钽合金假体材料、模具钢进行SEM及力学性能测试,测试结果表明,处理后半烧结粉末被彻底清除,且力学性能也得到进一步提高。
由上述实施例可知,本发明的清除3D打印金属样品中半烧结粉末的方法,在室温与大气压下即可进行,水射流要选用合适的参数,尤其重要的是清洗时所采用的水射流压力、水射流冲击时间与清洗时喷嘴与样品的靶距。本发明经过长期的试验及研究得到了最佳的水射流压力、水射流冲击时间以及靶距之间的最佳匹配关系,进而使得用超高压水射流能够彻底清除金属样品半烧结的粉末并使骨小梁/仿松质骨结构不形变、不受损伤并能使样品表面得到强化。
本发明的清除3D打印金属样品中半烧结粉末的方法,在彻底清除半烧结的粉末的同时,还能增加样品的显微硬度,这有益于提高样品的耐磨性能,从而延长了样品的耐用寿命。本发明采用超高压水射流技术对3D打印金属样品进行处理,能够强化表面,不但能满足环保要求,而且使用成本低廉,操作简便,极易推广。
另外,还能基于本发明思路设计超高压水射流清除粉末设备以及集超高压水射流清除粉末设备与3D打印等于一体的集成设备。
以上述依据本发明的理想实施例为启示,通过上述的说明内容,相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内,进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容,必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (7)
1.一种清除3D打印金属样品中半烧结粉末的方法,其特征在于,包括以下步骤:采用超高压水射流设备对3D打印金属样品中半烧结的粉末进行清除,所述超高压水射流设备的水射流压力为50~200MPa,超高压水射流设备的水射流冲击时间为1~30min,所述超高压水射流设备的喷嘴与待处理的3D打印金属样品之间的距离为1~30mm。
2.根据权利要求1所述的清除3D打印金属样品中半烧结粉末的方法,其特征在于,所述3D打印金属样品为具有骨小梁/仿松质骨结构的钛合金假体、钽合金假体、不锈钢假体、钴铬钼假体中的任意一种,所述半烧结的粉末为钛合金粉末、钽合金粉末、不锈钢粉末、钴铬钼粉末中的任意一种。
3.根据权利要求2所述的清除3D打印金属样品中半烧结粉末的方法,其特征在于,所述3D打印金属样品为具有骨小梁/仿松质骨结构的钛合金假体,所述半烧结的粉末为钛合金粉末时,超高压水射流设备的水射流压力大于50MPa且小于180MPa。
4.根据权利要求2所述的清除3D打印金属样品中半烧结粉末的方法,其特征在于,所述3D打印金属样品为具有骨小梁/仿松质骨结构的钽合金假体、不锈钢假体、钴铬钼假体中的任意一种,所述半烧结的粉末为钽合金粉末、不锈钢粉末、钴铬钼粉末中的任意一种时,所述超高压水射流设备的水射流压力为100~200MPa。
5.根据权利要求1所述的清除3D打印金属样品中半烧结粉末的方法,其特征在于,所述超高压水射流设备为C9-Husky的超高压水射流设备。
6.一种清除3D打印金属样品中半烧结粉末的设备,其特征在于,包括超高压水射流设备,所述 超高压水射流设备清除3D打印金属样品中半烧结粉末时采用权利要求1-5任一项所述的清除3D打印金属样品中半烧结粉末的方法。
7.根据权利要求6所述的清除3D打印金属样品中半烧结粉末的设备,其特征在于,还包括能精确控制被加工工件移动的多轴平移台或机械臂,以及控制软件及控制模块。
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