CN115740487A - 一种多喷射3d打印具有复杂内腔结构部件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多喷射3D打印具有复杂内腔结构部件的方法，通过区分打印部件模型实体部分和内部腔体结构，通过低熔融温度的填充剂材料来取代内部腔体结构部分的基体粉末材料形成支撑，在此基础上来简化生坯后处理过程，通过加热使填充剂重新熔融成液态流体通过自动或者外部其它方式快速排出，液态流体相比纯预铺设粉末颗粒的排出更加迅速，提高处理效率，并且无需对脆弱的生胚进行剧烈的操作，保持生胚完整性。尤其是针对具有复杂迂回流道的随行冷却模具等部件的制作，具有重要意义。

Description

一种多喷射3D打印具有复杂内腔结构部件的方法

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种多喷射3D打印具有复杂内腔结构部件的方法。

背景技术

粘结剂喷射3D打印技术是增材制造技术的一种，具有打印速度快、效率高的特点，不仅适合小规模研发制样也适合批量生产。相较于激光或电子束高能束熔融粉末床增材制造，在完全成形后部件具有足够强度，可通过一些剧烈的方式将内部的未成形的粉末清理出来。但粘结剂喷射生坯强度相对脆弱，无法通过较为剧烈的方式来清除内部多余的粉末，后处理过程也较为复杂，尤其是薄壁复杂内腔结构、随行冷却模具等的模型生坯，其后处理内部粉末时效率很低，有待进一步研究和开发。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种多喷射3D打印具有复杂内腔结构部件的方法，能够简化打印生坯后处理过程，对复杂内腔结构设计和提高生产效率具有重要的意义。

本发明采用以下技术方案：

本申请提供第一种多喷射3D打印具有复杂内腔结构部件的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)根据预设的具有复杂内腔结构部件模型数据，区分模型的实体部分和内腔部分；

(2)预先铺设一定厚度的粉末；

(3)按照模型的实体部分数据在粉末床对应位置喷射粘结剂，并进行固化成形；

(4)移除模型内腔部分对应的粉末，并对模型内腔部分喷射填充剂，喷射完成后使填充剂固化；

(5)完成一层打印后，重新进行粉末铺设，逐层打印直至打印完成；打印完成后进行清粉得到打印生胚；

(6)对得到的打印生胚加热使得填充剂熔融；

(7)对打印生胚进行脱脂、烧结，得到最终部件；

所述粉末包括金属、陶瓷或金属陶瓷复合粉体中的一种或多种，所述填充剂为低熔融温度材料。

本申请中，通过粘结剂粘结所铺设粉末的实体部分，有效地对部件的实体部分进行塑形，通过低熔融温度的填充剂来取代内部腔体结构部分的基体粉末材料并形成支撑，在打印完成后在不影响目标部件结构完整性的情况下，通过熔融填充剂并在进行脱脂、烧结过程中简单、高效去除填充材料，解决了因生胚强度低、复杂内腔结构造成的清粉难等后处理难题。

作为优选地，步骤(6)所述填充剂熔融后，通过翻转模型、清洗剂(气体或液体清洗剂)、压缩气体吹或负压吸等方式将熔融的填充剂排出至模型外，，再进行步骤(7)的操作。通过翻转模型、清洗剂(气体或液体清洗剂)、压缩气体吹或负压吸等方式能够将全部或者大部分的熔融的填充剂排出至模型外，剩余少量通过脱脂、烧结过程除去。当然通过翻转模型、清洗剂(气体或液体清洗剂)、压缩气体吹或负压吸等方式并非必须，将填充剂熔融后，直接通过脱脂、烧结过程除去，简化后处理步骤。步骤(6)中可根据生胚材料的特性决定是否需要保护气氛。

粘结剂在通过3D打印机的多喷嘴喷头按目标图形喷射后，能够快速渗透预先所铺设的粉末层、充分浸润粉末，通过某种方式，如电磁波(如荧光、紫外光和红外光等)、加热等方式，使其固化粘结粉末成形并具有一定的强度。

作为优选地，所述粘结剂包括热塑树脂或热固树脂中的一种或多种；更进一步，所述粘结剂包括聚丙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、丙烯酸树脂或酚醛树脂中的一种或多种。

作为优选地，所述填充剂包括具有25℃以上的熔融温度的热塑性树脂、蜡材、浆料或低熔点金属(含合金)的一种或多种。填充剂在喷射或挤出后能通过冷却或电磁波照射等方式能快速从流体转换成固态，并具有一定强度，在后续铺粉过程中不会影响部件的整体结构，通过隔离剂或无需隔离剂，填充剂与基体粉末孔隙、粘结剂不产生负面作用，能有效填充预先设定的区域，部件生坯具有良好的精度、强度和支撑性。根据填充剂的特性可以通过简单的方法如加热熔融等方法简单、快速除去，亦或固化后不处理而在后续脱脂烧结过程中通过挥发或热分解等方式再除去，不影响部件最终性能。

作为优选地，步骤(4)中，所述移除模型内腔部分对应的粉末之后、对模型内腔部分喷射填充剂之前进行以下步骤，在模型的实体部分和内腔部分的界面处喷射隔离剂，所述隔离剂包括丁二烯树脂成膜剂、丙烯酸树脂、聚乙烯醇、聚氨酯成膜剂或蛋白成膜剂中的一种或多种。隔离剂喷射在填充剂和基体粉末之间，快速固化形成隔离层，以膜或其他方式主要起到隔离填充与基体粉末空隙、粘结剂的相互作用，避免产生对部件打印过程及最终性能产生副作用而影响部件精度和性能。

作为优选地，步骤(3)中所述固化通过自然固化、电磁波或加热等方式进行。

作为优选地，步骤(4)中所述移除模型内腔部分对应的粉末通过气流吹扫或负压吸粉等方式完成。步骤(4)中所述填充剂的固化可以通过冷却或电磁波照射等方式固化。

作为优选地，步骤(5)中清粉过程可以在清粉机构中，通过震动或者压缩气体等方式清理干净生胚外部周边粉末颗粒。

本申请还提供第二种多喷射3D打印具有复杂内腔结构部件的方法，包括以下步骤：

(1)根据预设的具有复杂内腔结构部件模型数据，区分模型的实体部分和内腔部分；

(2)预先铺设一定厚度的粉末；

(3)按照模型的内腔部分数据在粉末床对应位置喷射填充剂，喷射完成后使填充剂固化；

(4)再进行打印层粉末铺设，按照模型的实体部分数据在对应位置喷射粘结剂，并进行固化成形；

(5)完成一层打印后，重新进行步骤(3)～(4)，逐层打印直至打印完成；打印完成后进行清粉得到打印生胚；

(6)对得到的打印生胚加热使得填充剂熔融；

(7)对打印生胚进行脱脂、烧结，得到最终部件；

所述粉末包括金属、陶瓷或金属陶瓷复合粉体中的至少一种，所述填充剂为低熔融温度材料。

与第一种方法相比，第二种方法的原理相同，但在喷射填充剂和粘结剂的顺序上做了调整。第二种方法采用先喷射填充剂，这样可以省去移除模型内腔部分对应的粉末过程，由于先喷射了填充剂，为了维持打印层厚度一致，需要在填充剂固化后再进行一次打印层铺粉操作。

作为优选地，第二种方法的在步骤(3)之后、步骤(4)之前也可以进行以下步骤，在模型的实体部分和内腔部分的界面处喷射隔离剂，所述隔离剂包括丁二烯树脂成膜剂、丙烯酸树脂、聚乙烯醇、聚氨酯成膜剂或蛋白成膜剂中的一种或多种。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过区分打印部件模型实体部分和内部腔体结构，通过低熔融温度的填充剂材料来取代内部腔体结构部分的基体粉末材料形成支撑，在此基础上来简化生坯后处理过程，通过加热使填充剂重新熔融成液态流体通过自动或者外部其它方式快速排出，液态流体相比纯预铺设粉末颗粒的排出更加迅速，提高处理效率，并且无需对脆弱的生胚进行剧烈的操作，保持生胚完整性。尤其是针对具有复杂迂回流道的随行冷却模具等部件的制作，具有重要意义。

附图说明

图1是实施例1的生胚的局部示意图；

图2是实施例4的生胚的局部示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明技术方案，以下结合附图与具体实施例进行详细说明。

实施例1

以丙烯酸树脂(三菱BR-85)作为粘结剂、微晶石蜡(天诗蜡粉TP-66)作为填充剂，通过多喷射系统进行喷射打印316L不锈钢部件。在预铺的316L不锈钢粉上按照部件模型实体部分数据喷射丙烯酸树脂粘结剂，并进行红外光照固化20s，实现部件实体部分的有效粘结成形。通过除粉系统，按部件内腔结构对粉末床必要位置进行负压吸附除粉，在预留出内腔位置后通过多喷射系统喷射微晶石蜡并快速冷却，实现对内腔部位进行填充，保证界面的精度和填充的强度，能满足后续铺粉的要求。完成一层打印后，重新进行粉末铺设，如此重复上述过程，逐层打印直至按照部件模型数据完成打印。

将打印完成后的工作平台移入清粉机构，通过震动或压缩气体清理干净，其局部示意图如图1所示，将清粉后的打印生胚固定好，并加热到70℃，使填充剂微晶石蜡熔融，通过压缩气体充入内部流道一端将熔融的填充剂从打印生坯内部流道另一端排出。600℃脱脂3h，1350℃烧结3h，得到最终部件。

相比传统的震动和负压吸出粉末，本实施例的方法效率要提高很多，且尽可能的对打印生坯起到保护作用，避免在后处理过程对打印的生坯造成损坏，影响生产效率。即使有少量的残留在流道界面粉末间隙内，也可在后续脱脂烧结过程中分解除去。

实施例2

以PVP(BASF Kollidon 17)作为粘结剂、聚乙烯蜡(天诗蜡粉TS-5020)作为填充剂、PVA(上海臣启化工PVA-1788)作为隔离剂，通过多喷射系统进行喷射打印氧化铝陶瓷部件。在预铺的氧化铝陶瓷粉上按照部件模型实体部分数据喷射PVP粘结剂，并进行加热固化25s，实现部件实体部分的有效粘结成形。通过除粉系统，按部件内腔结构对粉末床必要位置进行负压吸附除粉，在预留出内腔位置后通过喷射系统喷射聚乙烯蜡并快速冷却，实现对内腔部位进行填充，保证界面的精度和填充的强度，能满足后续铺粉的要求。完成一层打印后，重新进行粉末铺设，如此重复上述过程，逐层打印直至按照部件模型数据完成打印。

将打印完成后的工作平台移入清粉机构，通过震动或压缩气体清理干净，将清粉后的打印生胚固定好，并加热到90℃，使填充剂聚乙烯蜡熔融，通过转动和压缩空气吹出填充剂，在600℃脱脂3h，1700℃烧结5h，得到最终部件。

实施例3

以酚醛树脂(绿联化学BNE-200)作为粘结剂、锡铋低熔点合金(56Bi40Sn4Zn)作为填充剂、丁二烯树脂(康琼生物医药129288-65-9)作为隔离剂，通过多喷射系统进行喷射打印碳化硅陶瓷部件。在预铺的碳化硅陶瓷粉上，按照模型的内腔部分数据在粉末床对应位置喷射填充剂锡铋低熔点合，喷射完成后快速冷却凝固；再进行打印层粉末铺设，按照模型的实体部分数据在对应位置喷射酚醛树脂粘结剂，并进行加热固化15s，实现部件实体部分的有效粘结成形；完成一层打印后，重新进行上述过程，逐层打印直至打印完成；

将打印完成后的工作平台移入清粉机构，通过震动或压缩气体清理干净，将清粉后的打印生胚固定好，并加热到135℃，使填充剂锡铋低熔点合金熔融，倒置转动吹出填充剂，在1100℃温度下进行脱脂3h、2200℃烧结5h，得到最终部件。

实施例4

以酚醛树脂(绿联化学BNE-200)作为粘结剂、聚乙烯蜡(天诗蜡粉TS-5020)作为填充剂，通过多喷射系统进行喷射打印碳化硅部件。在预铺的碳化硅粉上按照部件模型实体部分数据喷射酚醛树脂粘结剂，并进行加热固化15s，实现部件实体部分的有效粘结成形。通过除粉系统，按部件内腔结构对粉末床必要位置进行负压吸附除粉，在预留出内腔位置后通过喷射系统喷射聚乙烯蜡并快速冷却，实现对内腔部位进行填充，保证界面的精度和填充的强度，能满足后续铺粉的要求。完成一层打印后，重新进行粉末铺设，如此重复上述过程，逐层打印直至按照部件模型数据完成打印。

将打印完成后的工作平台移入清粉机构，通过震动或压缩气体清理干净，其局部示意图如图2所示，将清粉后的打印生胚翻转使流道出口向下并固定好，并加热到90℃，使填充剂聚乙烯蜡熔融，静置或伴随轻微转动生坯固定平台，在重力作用下可以快速的将内部流道的填充剂从出口排出，且不会对生坯造成破坏，即使有少量的残留在流道界面粉末间隙内，也可在后续脱脂烧结过程中分解除去，在在1050℃温度下进行脱脂3h、2200℃烧结5h，得到最终部件。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围以权利要求所限定的范围为准，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内做出的若干改进和润饰，也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多喷射3D打印具有复杂内腔结构部件的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

(1)根据预设的具有复杂内腔结构部件模型数据，区分模型的实体部分和内腔部分；

(2)预先铺设一定厚度的粉末；

(3)按照模型的实体部分数据在粉末床对应位置喷射粘结剂，并进行固化成形；

(4)移除模型内腔部分对应的粉末，并对模型内腔部分喷射填充剂，喷射完成后使填充剂固化；

(5)完成一层打印后，重新进行粉末铺设，逐层打印直至打印完成；打印完成后进行清粉得到打印生胚；

(6)对得到的打印生胚加热使得填充剂熔融；

(7)对打印生胚进行脱脂、烧结，得到最终部件；

所述粉末包括金属、陶瓷或金属陶瓷复合粉体中的一种或多种，所述填充剂为低熔融温度材料。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(6)所述填充剂熔融后，通过翻转模型、清洗剂、压缩气体吹或负压吸将熔融的填充剂排出至模型外，再进行步骤(7)的操作。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述粘结剂包括热塑树脂或热固树脂中的一种或多种；所述填充剂包括具有25℃以上的熔融温度的热塑性树脂、蜡材、浆料或低熔点金属的一种或多种。

4.如权利要求1～3任一项所述的方法，其特征在于：步骤(4)中，所述移除模型内腔部分对应的粉末之后、对模型内腔部分喷射填充剂之前进行以下步骤，在模型的实体部分和内腔部分的界面处喷射隔离剂，所述隔离剂包括丁二烯树脂成膜剂、丙烯酸树脂、聚乙烯醇、聚氨酯成膜剂或蛋白成膜剂中的一种或多种。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述粘结剂包括聚丙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、丙烯酸树脂或酚醛树脂中的一种或多种。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)中所述固化通过自然固化、电磁波或加热进行；步骤(4)中所述移除模型内腔部分对应的粉末通过气流吹扫或负压吸粉完成；步骤(4)中所述填充剂的固化可以通过冷却或电磁波照射固化。

7.一种多喷射3D打印具有复杂内腔结构部件的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

(1)根据预设的具有复杂内腔结构部件模型数据，区分模型的实体部分和内腔部分；

(2)预先铺设一定厚度的粉末；

(3)按照模型的内腔部分数据在粉末床对应位置喷射填充剂，喷射完成后使填充剂固化；

(4)再进行打印层粉末铺设，按照模型的实体部分数据在对应位置喷射粘结剂，并进行固化成形；

(5)完成一层打印后，重新进行步骤(3)～(4)，逐层打印直至打印完成；打印完成后进行清粉得到打印生胚；

(6)对得到的打印生胚加热使得填充剂熔融；

(7)对打印生胚进行脱脂、烧结，得到最终部件；

所述粉末包括金属、陶瓷或金属陶瓷复合粉体中的至少一种，所述填充剂为低熔融温度材料。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(6)所述填充剂熔融后，通过翻转模型、清洗剂、压缩气体吹或负压吸将熔融的填充剂排出至模型外，得到打印生胚；步骤(3)中所述填充剂的固化可以通过冷却或电磁波照射固化；步骤(4)中所述固化通过自然固化、电磁波或加热进行。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述粘结剂包括聚丙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、丙烯酸树脂或酚醛树脂中的一种或多种；所述填充剂包括具有25℃以上的熔融温度的热塑性树脂、蜡材、浆料或低熔点金属的一种或多种。

10.如权利要求7～9任一项所述的方法，其特征在于：在步骤(3)之后、步骤(4)之前前进行以下步骤，在模型的实体部分和内腔部分的界面处喷射隔离剂，所述隔离剂包括丁二烯树脂成膜剂、丙烯酸树脂、聚乙烯醇、聚氨酯成膜剂或蛋白成膜剂中的一种或多种。

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