CN113501720A - 一种零部件快速粉末成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于零部件成型技术领域，具体涉及一种零部件快速粉末成型方法。所述方法包括混炼造粒，粉碎筛分，制作生坯和脱模烧结4个步骤。本发明提供的技术方案与现有技术相比具有如下优势：本发明提供的技术方案通过硅橡胶模具配合加热抽真空的方式使得粉末材料与粘合剂的混合物可以成型表面光滑与内部孔隙少的产品生坯，再通过脱模烧结等简单工序就可以快速获得作为试样使用的多个产品，无需周期冗长的模具加工过程和使用大型试产设备。

Description

一种零部件快速粉末成型方法
技术领域
本发明属于零部件成型技术领域，具体涉及一种零部件快速粉末成型方法。
背景技术
粉末成形技术是一个用途很广泛的加工方法，包含无机的金属、合金、陶瓷、有机物的塑胶、食品米麦豆、饲料等等，在工业与民生应用的领域很广大。尤其是将粉末赋予几何功能的结构件，使用模具成形并固化后，粉末成形产品做为工业制品服务着人类有着卓越的成效。
粉末体的力学性能复杂，在松散状态下，粉末颗粒之间相互离散，粉末体在轻微外力作用下就能够流动，但粉末体的力学性质与普通流体又有着本质区别，随着压制过程的进行，粉末体密度逐渐增加，颗粒之间互相勾连和吸附，从而在整体上表现出致密金属的力学性能。因此，粉末体材料的塑性流动力学性质既不同于流体，又不同于致密金属。
随着科技进步与发展，以粉末成形技术的产品制造的开发速度快速成长，如果想要获得真实的粉末成形产品的复制件并不容易，虽然3D打印法可以快速打印仿真的零件，但其表面由于材料层迭堆积和内部孔隙不小，加上打印速度较慢，并不能够真正的令人满意；如果快速开模作为正式的金属硬质模具来做样品，成本不但高且加工时间往往需要许多天，同时还需要大型成型设备如模压机或是注射成形机。
中国专利CN109702192专利中公开了一种金属粉末快速成型制备零部件的方法，其包括将金属粉末装入模具中超声去膜，振动填实，抽真空后充入含粘结剂的氮气，脱模，烧结得到零部件。该方法通过超声波振动成型，但需要通过氮气将粘结剂带入，需要特殊的生成设备，并且由于粘结剂的粘结力有限，为了保证金属粉末通过超声振动形成一定致密程度的整体，在脱模烧结过程中不变形，则金属粉末的粒径需要非常小，低至25～30μm，也就意味着前期金属粉末的加工难度大大增加，因此并不具有商业推广的可能。
发明内容
本发明提供了一种零部件快速粉末成型方法，用以解决目前零部件样品加工速度慢、成本高、设备要求高等问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：所述零部件快速粉末成型方法，其包括如下步骤：
S1混炼造粒：将原料粉末和粘结剂按计量称重经压力挤出造粒，获得大颗粒喂料团；
S2粉碎筛分：将步骤S1的大颗粒喂料团进行破碎，经网孔筛筛分获得所需尺寸的小颗粒喂料团；
S3制作生坯：将步骤S2中的小颗粒喂料团投入硅橡胶模具中，然后升温并抽真空，直至模具合模，形成产品生坯，停止加热并持续抽真空，直至冷却至室温时停止抽真空；
S4脱模烧结：将冷却后的产品生坯将其从硅橡胶模具中脱除，然后脱脂和烧结，获得产品。
一般认为上模与下模之间的间隙在0.05mm以下为合模状态。
可选地，所述原料粉末为纯元素金属、合金、介金属和陶瓷中一种以上。
优选地，所述纯元素金属为铁、镍、钴、钛、铜或钨，所述合金为不锈钢，所述介金属为碳化钨，所述陶瓷为氧化铝或氧化锆。
可选地，所述粘结剂选自包括低分子量组分、中分子量组分和高分子量组分，所述低分子量组分为SA(硬脂酸)、PW(石蜡)和EBS(乙撑双硬脂酸酰胺)中的一种以上；所述中分子量组分为BR(丁二烯硅橡胶)和/或EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)；所述高分子组分为PE(聚乙烯)、HDPE(高密度聚乙烯)、PP(聚丙烯)和POM(聚甲醛)中的一种以上。
可选地，所述原料粉末和粘结剂中原料粉末占的体积百分比为50-70％，优选50-60％。
可选地，S1中所述大颗粒喂料团为直径为3-5mm，长度为3-5mm的类圆柱体或类球体，S2中小颗粒喂料团的粒径为0.2-0.3mm。
可选地，S3中，先将小颗粒喂料团预热到95-100℃，然后再投入硅胶模具中。
可选地，S3中硅橡胶模具包括上模、与上模相对的下模、上模和下模合模形成的模穴、设置在上模内与模穴相通的抽气口，以及分布在上模和下模周围的加热设备，小颗粒喂料团填入模穴后，上模与下模之间存在一0.1-0.2mm的间隙。
可选地，所述上模与下模之间的间隙通过密封胶纸进行密封。
可选地，所述硅橡胶模具采用翻模制膜法获得。
可选地，所述硅橡胶模具中模穴尺寸大于产品尺寸。由于硅橡胶模具及内部填料随温度变化形变不同，因此一般需要设计模穴尺寸超过产品尺寸的0.1～0.15％，以利零部件成形后收缩并进行脱模。
本发明提供的技术方案与现有技术相比具有如下优势：本发明提供的技术方案通过硅橡胶模具配合加热抽真空的方式使得粉末材料与粘合剂的混合物可以成型表面光滑与内部孔隙少的产品生坯，再通过脱模烧结等简单工序就可以快速获得作为试样使用的多个产品，无需周期冗长的模具加工过程和使用大型试产设备。
附图说明
图1是本发明所述零部件快速粉末成型方法一具体实施方式的流程图；
图2是本发明所述硅橡胶模具一具体实审方式的结构示意图；
图3是本发明所述步骤S2中状态一示意图；
图4是本发明所述步骤S2中状态二示意图；
图5是实施例1中所述大颗粒喂料团的照片。
图中所示：
10-小颗粒喂料团、20-硅橡胶模具、21-上模、22-下模、23-模穴、24-抽气口、25-加热设备、26-密封胶纸、30-产品生坯。
具体实施方式
为了便于理解，下面结合实施例阐述所述零部件快速粉末成型方法，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位和位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，所述零部件快速粉末成型方法，其包括如下步骤：
S1混炼造粒：将原料粉末和粘结剂按计量称重经螺杆挤出机挤出造粒，获得大颗粒喂料团；
S2粉碎筛分：将步骤S1的大颗粒喂料团通过挤压式慢速碾碎法破碎，经网孔筛筛分获得所需尺寸的小颗粒喂料团；
S3制作生坯：先将小颗粒喂料团预热到95-100℃，如图2所示，将步骤S2中的小颗粒喂料团10投入硅橡胶模具20中，所述硅橡胶模具20包括上模21、与上模21相对的下模22、上模21和下模22合模形成的模穴23、设置在上模21内与模穴23相通的抽气口24，以及分布在上模21和下模23周围的加热设备25；
其中小颗粒喂料团10的装填量为体积略大于模穴23与抽气口24的总体积，装填后，上模21和下模23之间的分模线处存在0.1-0.2mm的间隙，用密封胶纸26封闭上模21和下模22相接处分模线间隙；
如图3所示，真空系统的抽气管接到抽气口24，真空系统抽除残留于硅橡胶模具模穴中的空气与小颗粒喂料团中的空气，同时启动加热设备25使小颗粒喂料团在模穴23中进行转化；
如图4所示，待上模21和下模23之间的分模线处的间隙在0.05mm以下时，认为模具合模，产品生坯30生成，停止加热并持续抽真空，直至硅橡胶模具冷却至室温时停止抽真空；
S4脱模烧结：将冷却后的产品生坯30将其从硅橡胶模具20中脱除，然后脱脂和烧结，脱脂和烧结均采用现有技术即可，最后获得产品样品。
所述硅橡胶模具采用翻模制膜法获得，具体将实际产品的放大比例模型经过液态橡胶灌注并包覆，然后取出模型得到模穴的作法。
实施例1
采用上述快速成型方法，其中原料粉末为不锈钢316L粉末(平均粒径d50＝10μm)，对应的粘结剂包括低分子量组分、中分子组分和高分子量组分，其中低分子量组分为SA和PW，所述中分子量组分为EVA，所述高分子量组分为PE、PP和POW，上述各组分按体积百分比如下:
Figure BDA0003197574230000041
将上述组分混炼拌合通过挤压后造粒，如图5所示，大颗粒喂料团的直径在3-5mm，长度为3-5mm的类圆柱体，破碎后的小颗粒喂料团的粒径约为0.2mm，本实施例中硅橡胶模具的材质为硅橡胶，步骤S2中，位于硅橡胶模具外加热设备控温在180-190℃，真空度控制在10-100torr。
实施例2
采用上述快速成型方法，其中原料粉末为羰基铁粉(d50＝5.1μm)，对应的粘结剂包括低分子量组分、中分子组分和高分子量组分，其中低分子量组分为SA和PW，所述中分子量组分为BR，所述高分子量组分为PE、PP和POW，上述各组分按体积百分比如下:
Figure BDA0003197574230000051
将上述组分混炼拌合通过挤压后造粒，大颗粒喂料团的直径约5mm，长度约3-5mm的类球体，破碎后的小颗粒喂料团的粒径约为0.25mm，本实施例中硅橡胶模具的材质为硅橡胶，步骤S2中，位于硅橡胶模具外加热设备控温在160-170℃，真空度控制在100-150torr。
实施例3
采用上述快速成型方法，其中原料粉末为碳化钨粉(d50＝3.4μm)，对应的粘结剂包括低分子量组分、中分子组分和高分子量组分，其中低分子量组分为SA和PW，所述中分子量组分BR和EVA，所述高分子量组分为PE、PP和POW，上述各组分按体积百分比如下:
Figure BDA0003197574230000052
将上述组分混炼拌合通过挤压后造粒，大颗粒喂料团的直径约4mm，长度约4mm的类圆柱体，破碎后的小颗粒喂料团的粒径约为0.3mm，本实施例中硅橡胶模具的材质为硅橡胶，步骤S2中，位于硅橡胶模具外加热设备控温在190-200℃，真空度控制在80-180torr。
实施例4
采用上述快速成型方法，其中原料粉末为氧化锆粉(d50＝1.1μm)，对应的粘结剂包括低分子量组分、中分子组分和高分子量组分，其中低分子量组分为SA和PW，所述中分子量组分EVA，所述高分子量组分为PE和PP，上述各组分按体积百分比如下:
Figure BDA0003197574230000061
将上述组分混炼拌合通过挤压后造粒，大颗粒喂料团的直径约4mm，长度约4mm的类圆柱体，破碎后的小颗粒喂料团的粒径约为0.3mm，本实施例中硅橡胶模具的材质为硅橡胶，步骤S2中，位于硅橡胶模具外加热设备控温在150-160℃，真空度控制在180-200torr。
对比例1
采用相同的金属材料通过3D打印获得所需要的产品样品。此技术为以粘结剂喷射法(Binder Jetting)所制作，金属粉末与实施例1相同，为316L粉末，粘结剂的配方采用机台的标准材料(美国Exone公司)。
对比例2
通过金属粉末注射成型方法获得所需要的产品样品，所用原料及粘结剂与实施例1相同。
实施例2对比实验
以实施例1与对比例1、对比例2方法制备的样品进行密度测试，结构如表1所示。
表1
Figure BDA0003197574230000071
上述密度测试方法为使用标准阿基米德原理方式，以物体浮力排开水体积换算体积的比重值，具体参见标准ASTM D792/ISO1183，最终得到生坯密度。
根据上述实验数据的对比可以发现，采用本发明提供的技术方案可以制备出密度接近金属粉末注射成型方法制备的样品，也就是完全可以用于生成少量样品用于前期开发制样的方法，而同时无需周期冗长的模具加工过程和使用大型试产设备，大大缩短了开发周期降低了开发成本。而实施例1制备的样品与对比例1相比，其密度明显更高，并且表面光洁，尺寸准确，因此更具使用价值。
最后应说明的是：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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或替换，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范围。

Claims (10)

1.一种零部件快速粉末成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1混炼造粒：将原料粉末和粘结剂按计量称重经压力挤出造粒，获得大颗粒喂料团；
S2粉碎筛分：将步骤S1的大颗粒喂料团进行破碎，经网孔筛筛分获得所需尺寸的小颗粒喂料团；
S3制作生坯：将步骤S2中的小颗粒喂料团投入硅橡胶模具中，然后升温并抽真空，直至模具合模，形成产品生坯，停止加热并持续抽真空，直至冷却至室温时停止抽真空；
S4脱模烧结：将冷却后的产品生坯将其从硅橡胶模具中脱除，然后脱脂和烧结，获得产品。
2.根据权利要求1所述零部件快速粉末成型方法，其特征在于，所述原料粉末为纯元素金属、合金、介金属和陶瓷中一种以上。
3.根据权利要求2所述零部件快速粉末成型方法，其特征在于，所述纯元素金属为铁、镍、钴、钛、铜或钨，所述合金为不锈钢，所述介金属为碳化钨，所述陶瓷为氧化铝或氧化锆。
4.根据权利要求1所述零部件快速粉末成型方法，其特征在于，所述粘结剂包括低分子量组分、中分子量组分和高分子量组分，所述低分子量组分为SA、PW和EBS中的一种以上；所述中分子量组分为BR和/或EVA；所述高分子组分为HDPE、PP和POM中的一种以上。
5.根据权利要求1所述零部件快速粉末成型方法，其特征在于，所述原料粉末和粘结剂中原料粉末占的体积百分比为50-70％。
6.根据权利要求1所述零部件快速粉末成型方法，其特征在于，S1中所述大颗粒喂料团的直径为3-5mm，长度为3-5mm，S2中小颗粒喂料团的粒径为0.2-0.3mm。
7.根据权利要求1所述零部件快速粉末成型方法，其特征在于，S3中，先将小颗粒喂料团预热到95-100℃，然后再投入硅胶模具中。
8.根据权利要求1所述零部件快速粉末成型方法，其特征在于，S3中硅橡胶模具包括上模、与上模相对的下模、上模和下模合模形成的模穴、设置在上模内与模穴相通的抽气口，以及分布在上模和下模周围的加热设备，小颗粒喂料团填入模穴后，上模与下模之间存在一0.1-0.2mm的间隙。
9.根据权利要求8所述零部件快速粉末成型方法，其特征在于，所述上模与下模之间的间隙通过密封胶纸进行密封。
10.根据权利要求8所述零部件快速粉末成型方法，其特征在于，所述硅橡胶模具中模穴尺寸大于产品尺寸。
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