CN114042935A - 一种用于金属增材制造的水洗支撑材料及成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于金属增材制造的水洗支撑材料及成型方法，采用水洗材料和骨架材料，骨架材料占总质量分数的5‑20％，水洗材料采用NaCl粉末、KCl粉末、K2SO4粉末中的一种或多种，骨架材料采用铝合金粉末，利用5‑20％的骨架材料作为支撑，与水洗材料共同熔融成型，形成可水解的支撑结构，在成型结束后利用水洗材料水洗特点，将支撑结构与零件在水中溶解去除支撑结构，即可得到成型零件，本发明通过水洗材料与骨架材料的合理配比，实现水洗支撑材料的制备，铝合金粉末可用增材制造形成的废粉，变废为宝，实现材料的循环再利用，材料制备成本低廉。
Description
技术领域
本发明属于金属增材制造材料领域，具体涉及一种用于金属增材制造的水洗支撑材料及成型方法。
背景技术
增材制造(又称为“3D打印”)是一种“自下而上”的材料累加成形的制造方法，相对于传统材料去除切削加工，它是依据三维CAD数据将材料逐层累加制造实体零件的技术，是近二十年来迅速发展起来的高端数字化快速制造技术。增材制造成形过程无需模具，因此使产品研制周期大幅缩短，特别适合于复杂构件的近净成形，采用增材制造技术制造出的成形件具有优异的力学性能，适合多种材料的快速成形，且材料利用率高。
金属增材制造是最前沿和最有潜力的增材制造技术，是先进制造技术的重要发展方向。金属增材制造中，以激光束、电子束等高能束为热源的激光净成形(LaserEngineered Net Shaping，LENS)、激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)及电子束熔融成形(Electron Beam Melting，EBM)等增材制造技术是当前研究应用的热点。SLM和EBM等基于粉床成形技术，通过逐层铺粉，激光或电子束扫描实现三维零件的累加成形，成形过程中粉末起到一定的自支撑作用，但对于具有大倾角、悬垂结构的复杂零件仍然需要添加支撑以保证成形质量。基于送粉成形的LENS等技术，由于成形过程中添加支撑困难，成形复杂结构的零件受到一定的限制。支撑问题已成为影响金属增材制造技术发展的瓶颈之一，支撑不仅影响生产的产量和成本，这些额外的支撑结构还增加成形时间、制造成本以及后期处理时间和后期处理的复杂性。因此，开发针对金属增材制造的新型水洗支撑材料，可以为金属增材制造的发展带来新的契机。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于金属增材制造的水洗支撑材料及成型方法，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于金属增材制造的水洗支撑材料，包括水洗材料和骨架材料，骨架材料占总质量分数的5-20％，水洗材料采用NaCl粉末、KCl粉末、K2SO4粉末中的一种或多种，骨架材料采用铝合金粉末。
进一步的，NaCl、KCl、K2SO4和铝合金粉末的粒径不大于400目。
一种金属增材制造水洗支撑材料成型方法，包括以下步骤：
S1，按质量分数取水洗材料和骨架材料，骨架材料占总质量分数的5-20％；
S2，将水洗材料和骨架材料混合均匀得到支撑混合料，骨架材料的熔点小于水洗材料的熔点；
S3，基于支撑混合料采用激光或电子束成型形成支撑，基于形成的支撑进行零件成型，成型结束后将整体零件浸水，去除支撑，得到成型零件。
进一步的，水洗材料采用NaCl粉末、KCl粉末、K2SO4粉末中的一种或多种。
进一步的，NaCl、KCl和K2SO4粉末的粒径不大于400目。
进一步的，骨架材料采用铝合金粉末。
进一步的，铝合金粉末的粒径不大于400目。
进一步的，水洗材料的激光吸收率高于骨架材料的激光吸收率。
进一步的，成型前将水洗材料和骨架材料进行干燥处理，去除水洗材料和骨架材料中的水分。
进一步的，将水洗材料和骨架材料混合均匀后，在80-120℃条件下干燥2-6h，去除混合粉末中的水分。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种用于金属增材制造的水洗支撑材料，采用水洗材料和骨架材料，骨架材料占总质量分数的5-20％，水洗材料采用NaCl粉末、KCl粉末、K2SO4粉末中的一种或多种，骨架材料采用铝合金粉末，利用5-20％的骨架材料作为支撑，与水洗材料共同熔融成型，形成可水解的支撑结构，在成型结束后利用水洗材料水洗特点，将支撑结构与零件在水中溶解去除支撑结构，即可得到成型零件，本发明通过水洗材料与骨架材料的合理配比，实现水洗支撑材料的制备，铝合金粉末可用增材制造形成的废粉，变废为宝，实现材料的循环再利用，材料制备成本低廉。
支撑材料可通过水洗轻松去除，极大降低了金属增材制造成本、缩短了成形时间、后处理时间和后处理复杂性，拓宽了增材制造的应用范围。
进一步的，采用NaCl、KCl、K2SO4和铝合金粉末，铝合金粉末的熔点低于NaCl、KCl、K2SO4的熔点，能够先溶解与NaCl、KCl、K2SO4粉末混合粘接，然后再与NaCl、KCl、K2SO4粉末熔融形成稳定的支撑结构，NaCl、KCl、K2SO4粉末能够混合在铝合金粉末内形成干性支撑结构，遇水溶解从而瓦解铝合金结构，达到去除支撑的目的。
本发明一种金属增材制造水洗支撑材料成型方法，通过水洗材料与骨架材料的合理配比，实现水洗支撑材料的制备，支撑材料可通过水洗轻松去除，极大降低了金属增材制造成本、缩短了成形时间、后处理时间和后处理复杂性，拓宽了增材制造的应用范围。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细描述：
一种用于金属增材制造的水洗支撑材料，包括水洗材料和骨架材料，水洗材料采用NaCl粉末、KCl粉末、K2SO4粉末中的一种或多种；水洗材料可溶于水，且在水中的溶解度随温度的升高而增加，水洗材料的熔点为700-1100℃，熔化以后起到基体支撑作用；骨架材料采用铝合金粉末，其熔点在700℃以下，铝合金粉末熔化以后具有良好的流动性和导热性，保证水洗材料的成形性以及与基板的联接可靠性，起到骨架与粘结剂的作用，骨架材料占总质量分数的5-20％。骨架材料的熔点小于水洗材料的熔点，水洗支撑材料成型制备支撑结构过程中，从骨架材料的熔点温度逐渐升温至水洗材料的熔点，骨架材料首先熔化，熔化后的骨架材料具有良好的流动性，可以在水洗材料的孔隙中流动，待温度逐渐升高后与其他粉末熔化粘接在一起，起到粘接剂和骨架作用，使成形后的熔道保持良好的形状。
所述NaCl、KCl、K2SO4和铝合金粉末的粒径不大于400目，通过机械混粉或球磨混粉获得。
水洗支撑材料可用于LENS、SLM、EBM等金属增材制造工艺。
一种金属增材制造水洗支撑材料成型方法，包括以下步骤：
S1，按质量分数取水洗材料和骨架材料，骨架材料占总质量分数的5-20％；成型前将水洗材料和骨架材料进行干燥处理，去除水洗材料和骨架材料中的水分；
S2，将水洗材料和骨架材料混合均匀得到支撑混合料，骨架材料的熔点小于水洗材料的熔点；
水洗材料的激光吸收率高于骨架材料的激光吸收率，可提高混合粉末的整体激光吸收率。
S3，基于支撑混合料采用激光或电子束成型形成支撑，基于形成的支撑进行零件成型，成型结束后将整体零件浸水，去除支撑，得到成型零件。
实施例：
采用NaCl、KCl、K2SO4混合粉末作为水洗材料，铝合金粉末作为支撑材料，水洗支撑材料的原理：将粒径不大于400目的NaCl、KCl、K2SO4或铝合金粉末按照一定的质量分数称重配比，在混粉机中混合2-8h，使其成分均匀，并在80-120℃条件下干燥2-6h，去除粉末中的水分；铝合金的熔点(660℃)低于NaCl的熔点(801℃)、KCl的熔点(776℃)和K2SO4的熔点(1067℃)，采用激光或电子束成形过程中，铝合金粉末首先熔化，熔化后的铝合金具有良好的流动性，可以在混合粉末的孔隙中流动，其他粉末熔化后，将其粘接在一起，起到粘接剂和骨架作用，使成形后的熔道保持良好的形状；NaCl、KCl和K2SO4粉末无论对固态/光纤激光器(波长1.0.6μm)还CO2激光器(波长10.6μm)，激光吸收率均高于铝合金，可提高混合粉末的整体激光吸收率；熔化凝固后的混合粉末保持了良好的形状，可以按照CAD模型成形任意的形状，并具有良好的形状保持性，可作为金属增材制造的支撑；成形结束后，将零件浸在水中，NaCl、KCl和K2SO4材料会在水中溶解，且在溶解度随温度的升高而迅速增加铝合金骨架材料由于含量较少，难以保持完整形状，会随水洗材料被去除。从而满足金属增材制造的支撑需要。
本发明通过水洗材料与骨架材料的合理配比，实现水洗支撑材料的制备，铝合金粉末可用增材制造形成的废粉，变废为宝，实现材料的循环再利用，材料制备成本低廉。支撑材料可通过水洗轻松去除，极大降低了金属增材制造成本、缩短了成形时间、后处理时间和后处理复杂性，拓宽了增材制造的应用范围。突破金属增材制造支撑添加、去除的瓶颈问题，为金属增材制造实现复杂零件的成形提供了开辟了广阔的天地。
Claims (10)
1.一种用于金属增材制造的水洗支撑材料，其特征在于，包括水洗材料和骨架材料，骨架材料占总质量分数的5-20％，水洗材料采用NaCl粉末、KCl粉末、K2SO4粉末中的一种或多种，骨架材料采用铝合金粉末。
2.根据权利要求1所述的一种用于金属增材制造的水洗支撑材料，其特征在于，NaCl、KCl、K2SO4和铝合金粉末的粒径不大于400目。
3.一种金属增材制造水洗支撑材料成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，按质量分数取水洗材料和骨架材料，骨架材料占总质量分数的5-20％；
S2，将水洗材料和骨架材料混合均匀得到支撑混合料，骨架材料的熔点小于水洗材料的熔点；
S3，基于支撑混合料采用激光或电子束成型形成支撑，基于形成的支撑进行零件成型，成型结束后将整体零件浸水，去除支撑，得到成型零件。
4.根据权利要求3所述的一种金属增材制造水洗支撑材料成型方法，其特征在于，水洗材料采用NaCl粉末、KCl粉末、K2SO4粉末中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的一种金属增材制造水洗支撑材料成型方法，其特征在于，NaCl、KCl和K2SO4粉末的粒径不大于400目。
6.根据权利要求4所述的一种金属增材制造水洗支撑材料成型方法，其特征在于，骨架材料采用铝合金粉末。
7.根据权利要求6所述的一种金属增材制造水洗支撑材料成型方法，其特征在于，铝合金粉末的粒径不大于400目。
8.根据权利要求3所述的一种金属增材制造水洗支撑材料成型方法，其特征在于，水洗材料的激光吸收率高于骨架材料的激光吸收率。
9.根据权利要求3所述的一种金属增材制造水洗支撑材料成型方法，其特征在于，成型前将水洗材料和骨架材料进行干燥处理，去除水洗材料和骨架材料中的水分。
10.根据权利要求9所述的一种金属增材制造水洗支撑材料成型方法，其特征在于，将水洗材料和骨架材料混合均匀后，在80-120℃条件下干燥2-6h，去除混合粉末中的水分。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220215 |
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