CN116083760A - 一种铝合金3d打印材料、铝合金3d打印零件以及制备方法 - Google Patents

一种铝合金3d打印材料、铝合金3d打印零件以及制备方法 Download PDF

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Abstract

铝合金3D打印材料、铝合金3D打印零件以及制备方法，涉及3D打印材料技术领域，解决了成本高昂和安全性低的问题。材料包括如下体积百分含量的组分：铝合金粉末：57％～65％，热塑性材料：15％～20％，烧结助剂：3％～5％，石蜡10％～25％；铝合金粉末包括如下质量百分含量的组分：Si：5％～15％，Mn：0.1％～2％，Mg:0.1％～1％，Sr：0.01％～0.5％，Sn：0.1％～0.5％，其他杂质≤1％，余量为Al；热塑性材料包括如下百分含量的组分：聚甲醛：47％～65％，聚醚酰亚胺：8％～12％，聚苯乙烯：13％～16％，聚苯硫醚：2％～5％，棕榈油蜡：2％～30％。

Description

一种铝合金3D打印材料、铝合金3D打印零件以及制备方法
技术领域
本发明涉及3D打印材料技术领域，具体涉及一种铝合金3D打印材料、铝合金3D打印零件以及制备方法。
背景技术
在汽车行业最重要的发展方向之一就是对传统燃油车以及新能源汽车进行轻量化设计，在保证汽车强度和安全性能的前提下，尽可能降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。实现汽车轻量化的途径有两种，一种是采用轻质材料，如钛合金、铝合金、镁合金或碳纤维复合材料等达到降重目的；第二种是通过一体化、集成化、薄壁化、中空化等结构设计降重。
针对于汽车产品，基于性能、成本、技术成熟度等角度综合考虑，在众多轻质材料中，铝合金材料无疑是汽车轻量化的首选。传统的铝合金材料成型方式主要采用铸造或冲压，这些成型方式都需要模具成型，而受到模具结构的限制，不能最大限度的发挥零件轻量化结构设计的空间。而3D打印按照数字化模型采用逐层叠加的方式来构造物体，不受模具的限制，为轻量化结构设计带来更多的可能性，它可以实现传统工艺无法实现的中空夹层/薄壁加筋结构、点阵结构、一体化结构、异形拓扑优化结构等。因此3D打印技术和铝合金材料结合，可以克服传统铝合金成型的不足，为汽车设计师提供更大的以产品功能为导向的设计自由度，从而最大限度实现轻量化。
在汽车行业应用较为成功的铝合金3D打印技术为粉末床融化技术。例如保时捷为911旗舰车型GT2 RS 3D打印了铝合金活塞，在活塞顶部设计了一个完整的封闭冷却管道，使活塞较原来降重10％；宝马i8 Roadster采用3D打印铝合金敞篷车顶支架，使该件降重44％，并且刚度提升。粉末床熔融技术使用激光或电子束作为热源(SLM工艺使用激光，EBM工艺使用电子束)，逐点将粉末颗粒融化在一起，经散热凝固后与基体金属冶金焊合，然后逐层累计成型出三维实体。
这种技术打印的零件与传统工艺加工的零件性能相当，但是由于这种技术需要采用激光器或电子束等装置发射热源，设备成本高，将设备折旧成本分摊到每一个3D打印的零件上，导致零件价格昂贵，从而制约其应用。而采用粉末床融化所需的铝合金原材料均为粉末态，粉末材料不仅对操作者的健康有害，而且达到一定的浓度后，在火源、静电还有摩擦碰撞下易发生燃烧而引起爆炸，存在安全隐患。
发明内容
为了解决现有技术成本高昂且安全性低的问题，本发明提出了一种铝合金3D打印材料、铝合金3D打印零件以及制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种铝合金3D打印材料，所述材料包括如下体积百分含量的组分：
铝合金粉末：57％～65％，热塑性材料：15％～20％，烧结助剂：3％～5％，石蜡10％～25％；
所述铝合金粉末包括如下质量百分含量的组分：
Si：5％～15％，Mn：0.1％～2％，Mg:0.1％～1％，Sr：0.01％～0.5％，Sn：0.1％～0.5％，其他杂质≤1％，余量为Al；
所述铝合金粉末的D50粒度为8μm～14μm，松装密度40％～50％，振实密度60％～80％；
所述热塑性材料包括如下百分含量的组分：聚甲醛：47％～65％，聚醚酰亚胺：8％～12％，聚苯乙烯：13％～16％，聚苯硫醚：2％～5％，棕榈油蜡：2％～30％。
优选地，所述烧结助剂为CaF2、SiO2和MgO2中的任意两种或两种以上的混合物。
一种如上所述的铝合金3D打印材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、将Al、Si、Mg、Mn、Sn和Sr粉末按照成分配比加入至混料机中混合均匀，得到铝合金粉末；
S2、将热塑性材料按成分配比加入混炼机中，然后加入石蜡，以15rpm～20rpm的转速在100℃～140℃下加热混合至熔融状；
S3、将铝合金粉末及烧结助剂混合，一起预热到90℃～110℃，然后加入到S2步骤得到的熔融状混合物中以30rpm～40rpm的转速在100℃～140℃下继续加热混炼40min～60min，混炼机内保持真空状态；
S4、将步骤S3得到的混合物加入到双螺杆挤出机中，通过口模挤出丝材，即为铝合金3D打印材料。
优选地，步骤S4中所述双螺杆挤出机的加料温度为50℃～90℃，熔融段温度为150℃～180℃，均化段温度为140℃～185℃，机头及口模段温度为180℃～200℃。
一种铝合金3D打印零件的制备方法，以如上所述的铝合金3D打印材料为原料，所述方法包括以下步骤：
T1、将铝合金3D打印材料置于热挤出机上，通过喷嘴加热融化，按照3D打印的数字化模型的截面轮廓挤出到热床上，材料凝固并与周围的材料凝结，完成一层轮廓的打印，按照同样的方法打印下一层，以此类推，直到获得生坯；
T2、将生坯浸泡于有机溶剂中，加热脱脂，使得脱脂常数K＝m1/(m1-m2)×100％满足K≥4.2％，然后置于干燥箱中干燥，得到棕模；其中，m1代表生坯质量，m2代表棕模质量；
T3、将满足条件的棕模置于真空烧结炉中进行烧结，炉内通入惰性保护气体，获得铝合金3D打印零件。
优选地，步骤T1中所述热挤出机的喷嘴温度为200℃～280℃，热床温度为100℃～140℃，打印单层的厚度为0.03mm～0.15mm。
优选地，步骤T2中所述有机溶剂为三氯乙烷溶剂、高纯四氯乙烯或反～1，2～二氯乙烯。
优选地，步骤T2中所述加热的温度为60℃～90℃，加热的时间为12h～36h，所述干燥温度为40℃～50℃，干燥时间为8h～12h。
优选地，步骤T3中所述烧结的具体过程为：先以3℃/min～6℃/min的升温速率将温度升高到250℃～320℃，保温2h～4h；再以2℃/min～5℃/min的升温速率升温到450℃～660℃，保温4h～8h时；随后以8℃/min～12℃/min的降温速率随炉冷却；当炉内温度降到室温后，以3℃/min～5℃/min的升温速率重新加热到150℃～200℃，保温3h～5h；以5℃/min～8℃/min的降温速率随炉冷却。
优选地，T3中所述惰性保护气体为氩气、氮气和氩氢混合气体中的一种或多种混合气体，所述氩氢混合气体的比例为氩气：氢气＝96％：4％。
与现有技术相比，本发明解决了现有铝合金3D打印技术成本高昂且安全性低的问题，具体有益效果为：
1、本发明将铝合金材料与热塑性材料混合制丝，然后将丝材通过热挤出机成型，再利用有机溶剂加热脱脂去除热塑性材料，最后通过烧结，使铝合金粉末相互流动、扩散、溶解，粉末之间形成冶金结合，从而获得致密的铝合金零件；与激光/电子束3D打印设备相比，本发明所采用的热挤出机成本较低，另外本发明的原材料不需要严格约束粉末粒径、粉末形状等，从而降低了材料制造成本和成品率，本发明所述3D打印零件成本可以较粉末床制备的3D打印零件成本降低40％。
2、本发明采用的原材料形态是丝材，在3D打印过程中没有粉尘，对操作环境没有特殊要求，操作简单，安全性高。
3、本发明提供的零件的抗拉强度可达到320MPa，屈服强度达到260MPa，延伸率达到12％；强度与现有技术持平。
具体实施方式
为使本发明的技术方案更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是，以下实施例仅用于更好地理解本发明的技术方案，而不应理解为对本发明的限制。
实施例1.
本实施例提供一种铝合金3D打印材料、制备方法及零件制备方法，所述铝合金3D打印材料包括如下体积百分含量的组分：
铝合金粉末57％；热塑性材料17％；烧结助剂3％；石蜡23％。
其中，以所述铝合金粉末的质量百分数计，所述铝合金粉末的具体组成如表1所示；
表1
组分 Si Mn Mg Sr Sn Al
质量百分数/％ 9.62 0.47 0.65 0.12 0.34 余量
所述热塑性材料以体积百分数计，所述热塑性材料的具体组成如表2所示；
表2
组分 聚甲醛 聚醚酰亚胺 聚苯乙烯 聚苯硫醚 棕榈油蜡
体积百分数/％ 49 12 15 3 21
铝合金粉末的D50粒度为10um，松装密度43％；振实密度65％；
烧结助剂为CaF2与SiO2两种，其中CaF2：SiO2体积比为40％：60％；
上述3D打印材料的制备方法如下：
S1：按照表1铝合金成分进行配料，将Al、Si、Mg、Mn、Sn、Sr元素的粉末在混料机中混合均匀，Si、Mg、Mn、Sn、Sr元素以预合金粉及中间合金粉的形式加入；
S2：将热塑性材料按成分配比加入混炼机中，同时加入石蜡，进行加热混合至熔融状，混炼机转速15rpm，混炼温度110℃；
S3：将混合好的铝合金粉末及烧结助剂混合，一起预热到95℃，然后加入到S2步骤得到的混合物中继续加热混炼，混炼机内保持真空状态，混炼机转速40rpm，温度为110℃；混炼60min；
S4：将S3步骤得到的混合物加入到双螺杆挤出机通过口模挤出丝材后，经圆盘装置绕丝收集成卷丝材，得到所述低成本、高安全性的3D打印材料，其中所述双螺杆挤出机的加料段的温度为50℃，熔融段的温度为160℃，均化段的温度为150℃，机头的温度为185℃，口模段的温度为200℃，出丝直径为0.5mm。
所述3D打印零件的制备方法如下：
T1：将所述的制备方法制备出的成卷的3D打印丝材置于热挤出机上，将材料通过热挤出机的喷嘴加热融化，按照3D打印的数字化模型的截面轮廓挤出到热床上，材料凝固，并与周围的材料凝结。一层轮廓打印完成，按照同样的方法打印下一层，以此类推，直到获得生坯；其中，3D打印机喷嘴的温度为230℃，热床温度为110℃，每层隔离层的厚度均为0.050mm；
T2：在75℃下，将S1步骤得到的生坯浸泡于三氯乙烷溶剂中18小时进行浸泡脱脂后，在47℃下干燥9h，得到棕模；
T3：计算脱脂常数为4.31％，将S2步骤得到的棕模置于真空烧结炉中，以4℃/min的升温速率从室温升高至270℃，并保温4小时，然后以3℃/min的升温速率升温至560℃，并保温6小时，随炉冷却，降温速率为10℃/min；当炉内温度降到室温后，重新以3℃/min的升温速率升温至170℃，保温3小时，随炉冷却，降温速率6℃/min，得到3D打印零件；烧结过程中，炉内通入高纯氩气作为保护气体。
实施例2
本实施例提供一种铝合金3D打印材料、制备方法及零件制备方法，所述铝合金3D打印材料包括如下体积百分含量的组分：
铝合金粉末61％；热塑性材料20％；烧结助剂4％；石蜡15％。
其中，以所述铝合金粉末的质量百分数计，所述铝合金粉末的具体组成如表3所示；
表3
组分 聚甲醛 聚醚酰亚胺 聚苯乙烯 聚苯硫醚 棕榈油蜡
体积百分数/％ 55 10 13 5 17
所述热塑性材料以体积百分数计，所述热塑性材料的具体组成如表4所示；
表4
元素 Si Mn Mg Sr Sn Al
质量百分数/％ 6.73 1.23 0.87 0.05 0.25 余量
铝合金粉末的D50粒度为12um，松装密度50％；振实密度76％；
烧结助剂为CaF2与MgO2两种，其中CaF2：MgO2体积比为50％：50％；
上述低成本、高安全性的3D打印材料的制备方法如下：
S1：按照表1铝合金成分进行配料，将Al、Si、Mg、Mn、Sn、Sr元素的粉末在混料机中混合均匀，Si、Mg、Mn、Sn、Sr元素以预合金粉及中间合金粉的形式加入；
S2：将热塑性材料按成分配比加入混炼机中，同时加入石蜡，进行加热混合至熔融状，混炼机转速20rpm，混炼温度130℃；
S3：将混合好的铝合金粉末及烧结助剂混合，一起预热到100℃，然后加入到S2步骤得到的混合物中继续加热混炼，混炼机内保持真空状态，混炼机转速30rpm，温度为130℃；混炼50min；
S4：将S3步骤得到的混合物加入到双螺杆挤出机通过口模挤出丝材后，经圆盘装置绕丝收集成卷丝材，得到所述低成本、高安全性的3D打印材料，其中所述双螺杆挤出机的加料段的温度为70℃，熔融段的温度为180℃，均化段的温度为165℃，机头的温度为190℃，口模段的温度为200℃，出丝直径为0.8mm。
所述3D打印零件的制备方法如下：
T1：将所述的制备方法制备出的成卷的3D打印丝材置于热挤出机上，将材料通过热挤出机的喷嘴加热融化，按照3D打印的数字化模型的截面轮廓挤出到热床上，材料凝固，并与周围的材料凝结。一层轮廓打印完成，按照同样的方法打印下一层，以此类推，直到获得生坯；其中，3D打印机喷嘴的温度为250℃，热床温度为120℃，每层隔离层的厚度均为0.10mm；
T2：在80℃下，将S1步骤得到的生坯浸泡于三氯乙烷溶剂中16小时进行浸泡脱脂后，在50℃下干燥8h，得到棕模；
T3：计算脱脂常数为4.27％，将S2步骤得到的棕模置于真空烧结炉中，以5℃/min的升温速率从室温升高至300℃，并保温3小时，然后以5℃/min的升温速率升温至600℃，并保温5小时，随炉冷却，降温速率为9℃/min；当炉内温度降到室温后，重新以4℃/min的升温速率升温至150℃，保温5小时，随炉冷却，降温速率7℃/min，得到3D打印零件；烧结过程中，炉内通入高纯氮气作为保护气体。
实施例3.
本实施例提供一种铝合金3D打印材料、制备方法及零件制备方法，所述铝合金3D打印材料包括如下体积百分含量的组分：
铝合金粉末65％；热塑性材料18％；烧结助剂5％；石蜡12％。
其中，以所述铝合金粉末的质量百分数计，所述铝合金粉末的具体组成如表5所示；
表5
组分 聚甲醛 聚醚酰亚胺 聚苯乙烯 聚苯硫醚 棕榈油蜡
体积百分数/％ 64 8 14 4 10
所述热塑性材料以体积百分数计，所述热塑性材料的具体组成如表6所示；
表6
元素 Si Mn Mg Sr Sn Al
质量百分数/％ 11.7 0.58 0.37 0.14 0.28 余量
铝合金粉末的D50粒度为14um，松装密度45％；振实密度68％；
烧结助剂为CaF2、SiO2、MgO2三种，其中CaF2：SiO2：MgO2体积比为40％：40％：20％；
上述3D打印材料的制备方法如下：
S1：按照表1铝合金成分进行配料，将Al、Si、Mg、Mn、Sn、Sr元素的粉末在混料机中混合均匀，Si、Mg、Mn、Sn、Sr元素以预合金粉及中间合金粉的形式加入；
S2：将热塑性材料按成分配比加入混炼机中，同时加入石蜡，进行加热混合至熔融状，混炼机转速18rpm，混炼温度140℃；
S3：将混合好的铝合金粉末及烧结助剂混合，一起预热到110℃，然后加入到S2步骤得到的混合物中继续加热混炼，混炼机内保持真空状态，混炼机转速35rpm，温度为140℃；混炼40min；
S4：将S3步骤得到的混合物加入到双螺杆挤出机通过口模挤出丝材后，经圆盘装置绕丝收集成卷丝材，得到所述低成本、高安全性的3D打印材料，其中所述双螺杆挤出机的加料段的温度为80℃，熔融段的温度为175℃，均化段的温度为180℃，机头的温度为195℃，口模段的温度为195℃，出丝直径为1.0mm。
所述3D打印零件的制备方法如下：
T1：将所述的制备方法制备出的成卷的3D打印丝材置于热挤出机上，将材料通过热挤出机的喷嘴加热融化，按照3D打印的数字化模型的截面轮廓挤出到热床上，材料凝固，并与周围的材料凝结。一层轮廓打印完成，按照同样的方法打印下一层，以此类推，直到获得生坯；其中，3D打印机喷嘴的温度为270℃，热床温度为120℃，每层隔离层的厚度均为0.125mm；
T2：在60℃下，将S1步骤得到的生坯浸泡于三氯乙烷溶剂中30小时进行浸泡脱脂后，在40℃下干燥12h，得到棕模；
T3：计算脱脂常数为4.35％，将S2步骤得到的棕模置于真空烧结炉中，以3℃/min的升温速率从室温升高至250℃，并保温3小时，然后以4℃/min的升温速率升温至640℃，并保温4小时，随炉冷却，降温速率为12℃/min；当炉内温度降到室温后，重新以5℃/min的升温速率升温至200℃，保温4小时，随炉冷却，降温速率8℃/min，得到3D打印零件。烧结过程中，炉内通入氩氢混合气体作为保护气体，其中氩气：氢气＝96％：4％。
实施例4.
对上述3个实施例制备的零件按GB/T228.1-2021标准进行测试，性能指标见表7所示，可见其抗拉强度超过320MPa，屈服强度超过260MPa，延伸率为超过12％；
表7
通过上述实施例制备的零件的成本与采用激光3D打印制备相同零件成本对比见表8所示。
表8

Claims (10)

1.一种铝合金3D打印材料，其特征在于，所述材料包括如下体积百分含量的组分：
铝合金粉末：57％～65％，热塑性材料：15％～20％，烧结助剂：3％～5％，石蜡10％～25％；
所述铝合金粉末包括如下质量百分含量的组分：
Si：5％～15％，Mn：0.1％～2％，Mg:0.1％～1％，Sr：0.01％～0.5％，Sn：0.1％～0.5％，其他杂质≤1％，余量为Al；
所述铝合金粉末的D50粒度为8μm～14μm，松装密度40％～50％，振实密度60％～80％；
所述热塑性材料包括如下百分含量的组分：聚甲醛：47％～65％，聚醚酰亚胺：8％～12％，聚苯乙烯：13％～16％，聚苯硫醚：2％～5％，棕榈油蜡：2％～30％。
2.根据权利要求1所述的铝合金3D打印材料，其特征在于，所述烧结助剂为CaF2、SiO2和MgO2中的任意两种或两种以上的混合物。
3.一种如权利要求1或2所述的铝合金3D打印材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、将Al、Si、Mg、Mn、Sn和Sr粉末按照成分配比加入至混料机中混合均匀，得到铝合金粉末；
S2、将热塑性材料按成分配比加入混炼机中，然后加入石蜡，以15rpm～20rpm的转速在100℃～140℃下加热混合至熔融状；
S3、将铝合金粉末及烧结助剂混合，一起预热到90℃～110℃，然后加入到S2步骤得到的熔融状混合物中以30rpm～40rpm的转速在100℃～140℃下继续加热混炼40min～60min，混炼机内保持真空状态；
S4、将步骤S3得到的混合物加入到双螺杆挤出机中，通过口模挤出丝材，即为铝合金3D打印材料。
4.根据权利要求3所述的铝合金3D打印材料的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述双螺杆挤出机的加料温度为50℃～90℃，熔融段温度为150℃～180℃，均化段温度为140℃～185℃，机头及口模段温度为180℃～200℃。
5.一种铝合金3D打印零件的制备方法，其特征在于，以如权利要求1或2所述的铝合金3D打印材料为原料，所述方法包括以下步骤：
T1、将铝合金3D打印材料置于热挤出机上，通过喷嘴加热融化，按照3D打印的数字化模型的截面轮廓挤出到热床上，材料凝固并与周围的材料凝结，完成一层轮廓的打印，按照同样的方法打印下一层，以此类推，直到获得生坯；
T2、将生坯浸泡于有机溶剂中，加热脱脂，使得脱脂常数K＝m1/(m1-m2)×100％满足K≥4.2％，然后置于干燥箱中干燥，得到棕模；其中，m1代表生坯质量，m2代表棕模质量；
T3、将满足条件的棕模置于真空烧结炉中进行烧结，炉内通入惰性保护气体，获得铝合金3D打印零件。
6.根据权利要求5所述的铝合金3D打印零件的制备方法，其特征在于，步骤T1中所述热挤出机的喷嘴温度为200℃～280℃，热床温度为100℃～140℃，打印单层的厚度为0.03mm～0.15mm。
7.根据权利要求5所述的铝合金3D打印零件的制备方法，其特征在于，步骤T2中所述有机溶剂为三氯乙烷溶剂、高纯四氯乙烯或反～1，2～二氯乙烯。
8.根据权利要求5所述的铝合金3D打印零件的制备方法，其特征在于，步骤T2中所述加热的温度为60℃～90℃，加热的时间为12h～36h，所述干燥温度为40℃～50℃，干燥时间为8h～12h。
9.根据权利要求5所述的铝合金3D打印零件的制备方法，其特征在于，步骤T3中所述烧结的具体过程为：先以3℃/min～6℃/min的升温速率将温度升高到250℃～320℃，保温2h～4h；再以2℃/min～5℃/min的升温速率升温到450℃～660℃，保温4h～8h时；随后以8℃/min～12℃/min的降温速率随炉冷却；当炉内温度降到室温后，以3℃/min～5℃/min的升温速率重新加热到150℃～200℃，保温3h～5h；以5℃/min～8℃/min的降温速率随炉冷却。
10.根据权利要求5所述的铝合金3D打印零件的制备方法，其特征在于，T3中所述惰性保护气体为氩气、氮气和氩氢混合气体中的一种或多种混合气体，所述氩氢混合气体的比例为氩气：氢气＝96％：4％。
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