CN113020619A - 一种减少间接3d打印金属零件缺陷的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法，具体包括，制取原料：首先制成含有金属粉末、负膨胀粒子和至少一种化学粘结剂的均质原料，再制成含有负膨胀粒子和至少一种化学粘结剂的外部压缩原料；原型制造：导入原始零件CAD模型，在CAD模型周边添加外层包裹结构，CAD模型切片分层后，单层图形包含有原始零件图形和外包层图形两个特征片层，根据图形快速原型制造生坯件，其中原始零件图形所用的打印原料为均质原料；外包层图形所用的打印原料为外部压缩原料；后处理：对制造成的生坯件进行脱脂和烧结工艺。本发明提供的方法，解决金属3D打印生坯件在脱脂和烧结环节易出现缺陷的问题，且本发明方法具有低成本，易操作的特点。

Description

一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法
技术领域
本发明涉及金属3D打印领域，尤其涉及一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法。
背景技术
金属3D打印技术依据流程可以分为直接和间接两个类别。直接打印技术可以直接获得致密的金属零件，包含激光选区熔化，激光近净成形和电子束熔化成形等。间接打印技术采用粉末床或材料挤出的方式先制成金属与粘结剂组成的生坯件，再经脱脂去粘结剂和烧结致密化，完成最终的零件制造，包含有粘结剂喷射3D打印、光固化3D打印和挤出式间接3D打印等方法。
间接金属3D打印中，粘结剂在生坯件脱脂过程中依靠内部通道以液相或气相的状态渗出，内部通道的建立决定了脱脂的成功率。后续的烧结过程在微观上表现为粉末扩散融合和孔洞的逐渐消除，在宏观上表现为零件的尺寸收缩。常规烧结时，零件受低压力或无压力作用，收缩过慢会导致零件内部存在大量孔洞，因此常规烧结工艺获得的3D打印零件会存在孔隙率过高、开裂、氧化等问题，这导致间接金属3D打印的零件力学性能低于直接金属3D打印。
采用热等静压可以改善上述问题，该技术在烧结过程中对零件施加各向同等的气体压力，进而促进烧结致密化，如专利CN102605278提出《一种高温合金及其热等静压烧结方法》可以显著致密化高温合金，孔隙度在0.0001％以下。然而热等静压炉的设备成本很高，因此该方法的应用性有限。
专利CN 110961624 A提出《三维打印的粉末粘结毛坯的填充脱脂及压实烧结方法》，在脱脂和烧结过程中通过砂料和活塞的配合，对样品在脱脂烧结过程中进行几十个大气压力的保压。由于零件样品在脱脂和烧结过程中存在收缩变形，而过度的施加压力会导致零件在轴向上存在收缩形变，在横向上存在拉伸形变，需要预先对零件模型沿轴向线性拉伸放大，沿横向线性压缩。因此，需要对零件模型沿不同方向进行不同程度的拉伸和缩放，需要针对性地重新设计合适的尺寸模型。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供了一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法，解决金属3D打印生坯件在脱脂和烧结环节易出现缺陷的问题，且本发明方法具有低成本，易操作的特点。
一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法，包括如下步骤：
制取原料：首先制成含有金属粉末、负膨胀粒子和至少一种化学粘结剂的均质原料，再制成含有负膨胀粒子和至少一种化学粘结剂的外部压缩原料；
原型制造：导入原始零件CAD模型，在CAD模型周边添加外层包裹结构，CAD模型切片分层后，单层图形包含有原始零件图形和外包层图形两个特征片层，根据图形快速原型制造生坯件，其中原始零件图形所用的打印原料为均质原料；外包层图形所用的打印原料为外部压缩原料；
后处理：对制造成的生坯件进行脱脂和烧结工艺。
具体地，所述负膨胀粒子包括但不限于：β-锂霞石、ZrW2O8、Cd(CN)2·xCCl4、0.4PbTiO3-0.6BiFeO3，所述粒子平均粒径在300nm～70μm。
具体地，制取原料中，所述首先制成含有金属粉末、负膨胀粒子和至少一种化学粘结剂的均质原料，所采用工艺为球磨、机械搅拌或加热方法。
具体地，制取原料中，所述首先制成含有金属粉末、负膨胀粒子和至少一种化学粘结剂的均质原料，其中金属粉末占均质原料的体积比例为40％-60％，负膨胀粒子占的体积比例为1％-10％，化学粘结剂占的体积比例为39％-59％。
具体地，制取原料中，所述再制成含有负膨胀粒子和至少一种化学粘结剂的外部压缩原料，其中负膨胀粒子含量的比例为40％-60％，化学粘结剂含量的比例为40％-60％。
具体地，原型制造中，所述在CAD模型周边添加外层包裹结构，所述外层包裹结构的厚度为0.3-2mm。
具体地，原型制造中，所述根据图形快速原型制造生坯件，所述快速原型制造生坯件工艺为：粘结剂喷射3D打印、光固化3D打印或挤出式间接3D打印。
具体地，所述后处理，对制造成的生坯件进行脱脂和烧结工艺，其中脱脂峰值温度在100～600℃。
具体地，所述后处理，对制造成的生坯件进行脱脂和烧结工艺，其中，烧结峰值温度在500～1400℃。
具体地，所述负膨胀粒子为单一种类粒子或为组合粒子。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明通过制取原料，首先制成含有金属粉末、负膨胀粒子和至少一种化学粘结剂的均质原料，再制成含有负膨胀粒子和至少一种化学粘结剂的外部压缩原料；原型制造，导入原始零件CAD模型，在CAD模型周边添加外层包裹结构，CAD模型切片分层后，单层图形包含有原始零件图形和外包层图形两个特征片层，根据图形快速原型制造生坯件，其中原始零件图形所用的打印原料为均质原料；外包层图形所用的打印原料为外部压缩原料；后处理，对制造成的生坯件进行脱脂和烧结工艺；利用负膨胀粒子受热收缩的特性，选择性地引入功能粒子，协同调控零件内部和周围的膨胀位移，可以在脱脂和烧结两个环节减少缺陷的产生，具体原理为：在脱脂环节，生坯件内部的负膨胀粒子收缩，形成更多的内部通道，有利于粘结剂的排出；在烧结环节，生坯件外部包围的负膨胀粒子收缩对生坯件形成挤压作用，促进粉体扩散和孔洞融合，而内部掺杂的负膨胀粒子在此过程继续收缩以部分抵消金属基体粉末的热膨胀作用，避免外部的挤压作用造成零件过大的内应力产生；此外，本发明方法具有可操作性强，适应性广，特别适用于减少间接3D打印金属零件的缺陷。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法流程图；
图2为本发明实施例提供的一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法的生坯件示意图；
图3是本发明实施例提供常规方法间接3D打印金属零件的生坯件示意图；
图4为本发明实施例提供的一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法的脱脂示意图；
图5为常规方法间接3D打印金属零件的脱脂示意图；
图6为本发明实施例提供的一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法的烧结阶段示意图；
图7为常规方法间接3D打印金属零件的烧结阶段示意图；
图8为本发明实施例提供的一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法的成品零件内部示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法，解决金属3D打印生坯件在脱脂和烧结环节易出现缺陷的问题，且本发明方法具有低成本，易操作的特点。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。下面将结合本发明实施例中的附图，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。
如图1，本发明实施例的提供了一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法流程图，具体包括如下步骤：
S101：一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法，包括如下步骤：
制取原料：首先制成含有金属粉末、负膨胀粒子和至少一种化学粘结剂的均质原料，再制成含有负膨胀粒子和至少一种化学粘结剂的外部压缩原料；
具体地，所述负膨胀粒子包括但不限于：β-锂霞石、ZrW2O8、Cd(CN)2·xCCl4、0.4PbTiO3-0.6BiFeO3，所述粒子平均粒径在300nm～70μm。
具体地，所述负膨胀粒子为单一种类粒子或为组合粒子。
具体地，制取原料中，所述首先制成含有金属粉末、负膨胀粒子和至少一种化学粘结剂的均质原料，所采用工艺为球磨、机械搅拌或加热方法。
具体地，制取原料中，所述首先制成含有金属粉末、负膨胀粒子和至少一种化学粘结剂的均质原料，其中金属粉末占均质原料的体积比例为40％-60％，负膨胀粒子占的体积比例为1％-10％，化学粘结剂占的体积比例为39％-59％。
具体地，制取原料中，所述再制成含有负膨胀粒子和至少一种化学粘结剂的外部压缩原料，其中负膨胀粒子含量的比例为40％-60％，化学粘结剂含量的比例为40％-60％。
S101：原型制造：导入原始零件CAD模型，在CAD模型周边添加外层包裹结构，CAD模型切片分层后，单层图形包含有原始零件图形和外包层图形两个特征片层，根据图形快速原型制造生坯件，其中原始零件图形所用的打印原料为均质原料；外包层图形所用的打印原料为外部压缩原料；
具体地，原型制造中，所述在CAD模型周边添加外层包裹结构，所述外层包裹结构的厚度为0.3-2mm。
具体地，原型制造中，所述根据图形快速原型制造生坯件，所述快速原型制造生坯件工艺为：粘结剂喷射3D打印、光固化3D打印或挤出式间接3D打印。
S101：后处理：对制造成的生坯件进行脱脂和烧结工艺。
具体地，所述后处理，对制造成的生坯件进行脱脂和烧结工艺，其中脱脂峰值温度在100～600℃。
具体地，所述后处理，对制造成的生坯件进行脱脂和烧结工艺，其中，烧结峰值温度在500～1400℃。
实施例1：
基体材料为316L不锈钢粉末，优选的粘结剂为低密度聚乙烯、石蜡和硬脂酸混合物，优选的负膨胀粒子为B-锂霞石，其中不锈钢粉末平均粒径28μm，负膨胀粒子平均粒径为25μm。将体积比60％不锈钢粉末和2％负膨胀粒子加入行星球磨机中混料1h，添入38％的粘结剂混合物，加热并搅拌1h后制成均质原料。将体积比60％负膨胀粒子与40％粘结剂混合物加热并搅拌1h后制成外部压缩原料。导入原始零件CAD模型，添加外层包裹结构，采用挤出式间接金属3D打印，以均质原料打印原始零件模型，以外部压缩原料打印外层包裹结构，制成生坯件。生坯件进行溶剂脱脂后，再进行热脱脂，热脱脂峰值温度为500℃，升温速度为1℃/min，在此过程中，β-锂霞石在生坯件内部收缩，形成内部通道，粘结剂在升温过程中熔化并随内部通道以液体或气体的形式排出生坯件，脱脂成功。进行烧结，烧结峰值温度为1360℃，保温3h，升温速度为5℃/min，在此过程中，零件的外层包裹结构由于负膨胀效应逐渐收缩，压缩零件整体模型，形成挤压作用，零件内部的负膨胀粒子收缩以缓解基体金属粉末的热膨胀作用，降低样品的内应力。完成烧结后，外层包裹体通过敲击或喷砂的方式去除，零件内部致密，无明显缺陷，孔隙率低于0.1％。
实施例2：
基体材料为纯铝粉末，优选的粘结剂为低密度聚乙烯、石蜡和硬脂酸混合物，优选的负膨胀粒子为0.4PbTiO3-0.6BiFeO3，其中纯铝粉末平均粒径10μm，负膨胀粒子平均粒径为8μm。将体积比55％纯铝粉末和5％负膨胀粒子加入行星球磨机中混料30分钟，添入40％的粘结剂混合物，加热并搅拌1h后制成均质原料。将体积比60％的负膨胀粒子与40％粘结剂混合物加热并搅拌1h后制成外部压缩原料。导入原始零件CAD模型，添加外层包裹结构，采用挤出式间接金属3D打印，以均质原料打印原始零件模型，以外部压缩原料打印外层包裹结构，制成生坯件。生坯件进行溶剂脱脂后，再进行热脱脂，热脱脂峰值温度为500℃，升温速度为0.8℃/min，在此过程中，0.4PbTiO3-0.6BiFeO3在生坯件内部收缩，形成内部通道，粘结剂在升温过程中熔化，依靠内部通道以液体或气体的形式排出生坯件，脱脂成功。进行烧结，烧结峰值温度为600℃，保温2h，升温速度为3℃/min，在此过程中，零件的外层包裹结构由于负膨胀效应逐渐收缩，压缩零件整体模型，形成挤压作用，零件内部的负膨胀粒子收缩以缓解基体金属粉末的热膨胀作用，降低样品的内应力。完成烧结后，外层包裹体通过敲击或喷砂的方式去除，零件内部致密，无明显缺陷，孔隙率低于0.3％。
如图2是本发明实施例提供的一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法的生坯件示意图，其中图中201为外包裹层，202为化学粘结剂，203为金属颗粒，204为负膨胀粒子；如图3是本发明实施例提供常规方法间接3D打印金属零件的生坯件示意图，仅包括202′为化学粘结剂，203′为金属颗粒；
图4是本发明实施例提供的一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法的脱脂示意图，图中301为示意性的内部脱脂通道，从图中可以看出，脱脂阶段负膨胀粒子收缩促进内部通道产生；如图5是常规方法间接3D打印金属零件的脱脂示意图，图中301′为示意性的内部脱脂通道常规方法的脱脂通道仅由金属粉末之间的间隙构成，而本发明方法的负膨胀粒子受热收缩会进一步加大间隙，有利于更多的内部脱脂通道建立，有助于提升脱脂效果；
如图6是本发明实施例提供的一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法的烧结阶段示意图，表明烧结阶段外包裹层中的负膨胀粒子收缩力能够促进零件收缩和孔洞融合；如图7是常规方法间接3D打印金属零件的烧结阶段示意图，常规方法在烧结过程中依靠金属粉末之间的扩散连接和融合，最终形成金属件，本发明方法在外部添加外包裹层，在烧结过程中外包裹层对内部形成微压缩的效果，有利于金属粉末之间的扩散融合，消除孔洞缺陷，可以进一步提升金属件的致密度。
图8是本发明实施例提供的一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法的成品零件内部示意图。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修该，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法，其特征在于，包括如下步骤：
制取原料：首先制成含有金属粉末、负膨胀粒子和至少一种化学粘结剂的均质原料，再制成含有负膨胀粒子和至少一种化学粘结剂的外部压缩原料；
原型制造：导入原始零件CAD模型，在CAD模型周边添加外层包裹结构，CAD模型切片分层后，单层图形包含有原始零件图形和外包层图形两个特征片层，根据图形快速原型制造生坯件，其中原始零件图形所用的打印原料为均质原料；外包层图形所用的打印原料为外部压缩原料；
后处理：对制造成的生坯件进行脱脂和烧结工艺。
2.根据权利要求1所述的一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法，其特征在于，所述负膨胀粒子包括但不限于：β-锂霞石、ZrW2O8、Cd(CN)2·xCCl4、0.4PbTiO3-0.6BiFeO3，所述粒子平均粒径在300nm～70μm。
3.根据权利要求1所述的一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法，其特征在于，制取原料中，所述首先制成含有金属粉末、负膨胀粒子和至少一种化学粘结剂的均质原料，所采用工艺为球磨、机械搅拌或加热方法。
4.根据权利要求1所述的一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法，其特征在于，制取原料中，所述首先制成含有金属粉末、负膨胀粒子和至少一种化学粘结剂的均质原料，其中，金属粉末占均质原料的体积比例为40％-60％，负膨胀粒子占的体积比例为1％-10％，化学粘结剂占的体积比例为39％-59％。
5.根据权利要求1所述的一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法，其特征在于，制取原料中，所述再制成含有负膨胀粒子和至少一种化学粘结剂的外部压缩原料，其中负膨胀粒子含量的比例为40％-60％，化学粘结剂含量的比例为40％-60％。
6.根据权利要求1所述的一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法，其特征在于，原型制造中，所述在CAD模型周边添加外层包裹结构，所述外层包裹结构的厚度为0.3-2mm。
7.根据权利要求1所述的一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法，其特征在于，原型制造中，所述根据图形快速原型制造生坯件，所述快速原型制造生坯件工艺为：粘结剂喷射3D打印、光固化3D打印或挤出式间接3D打印。
8.根据权利要求1所述的一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法，其特征在于，所述后处理，对制造成的生坯件进行脱脂和烧结工艺，其中脱脂峰值温度在100～600℃。
9.根据权利要求1所述的一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法，其特征在于，所述后处理，对制造成的生坯件进行脱脂和烧结工艺，其中，烧结峰值温度在500～1400℃。
10.根据权利要求2所述的一种减少间接3D打印金属零件缺陷的方法，其特征在于，所述负膨胀粒子为单一种类粒子或为组合粒子。
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