CN1752238A - 金属/高分子复合材料零件的快速制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属/高分子复合材料零件的快速成形方法，首先采用间接SLS成形方法制备金属/高分子复合材料零件形坯；形坯经脱脂和高温烧结后得到多孔金属零件毛坯，对此多孔金属零件毛坯进行浸渗处理：先将环氧树脂和酚醛树脂或者改性有机硅按重量比为1∶2～2∶1混合，在60～80℃时，在其中加入甲基四氢邻苯二甲酸酐，搅拌均匀，升温至90℃～110℃，作为渗透液备用；将上述零件也预热至90℃～110℃；将上述零件浸入渗透液中进行浸渗，待气泡基本消失时，将零件取出；最后将渗透后的零件放入140℃～180℃的恒温箱中保温固化，然后冷却取出即可。本发明可以增强零件的机械性能和耐热性，既节约了成本，缩短了零件的制作时间，又减少了工艺过程。
Description
技术领域
本发明属于先进制造领域，具体涉及金属/高分子复合材料零件的快速成形方法。
背景技术
目前，金属/高分子复合零件的传统制造方法主要有：挤压铸造法、真空—气压浇铸法、粉末冶金法、扩散粘接法、挤压法、扎制法等。其中，挤压铸造法是先将增强剂制成预成型体，放入固定模型内预热至一定的温度，浇入金属熔体，将阳模压下并加压，迅速冷却后脱模即得到零件，这种方法优点是改善了金属熔体的浸润性，同时也消除了气孔等缺陷，但对设备的要求比较高，而且工艺复杂。真空—气压浇铸法是比较新而且被认为是较好的方法，该方法是将增强剂制成预成型体放入模腔后，加热并抽真空，然后用气压把金属熔体压入模腔，迅速冷却后脱模，这种方法由于是先抽真空再加较低的压力，故对纤维损伤小，其力学性能比挤压好，但其工艺也很复杂，对设备要求也高。粉末冶金法是在排列的长聚合物上撒一层金属粉末，将纤维与金属粉末相互交替重叠后冷压，然后烧结成型，这种方法的优点是制造温度低，适用多种金属基体与高分子的结合，缺点是高分子聚合物链段损伤大，分布不均，含量不高，工艺复杂。扩散粘接法是将增强剂经表面处理后浸渗金属制成先驱丝，再与金属箔(或粉末)叠层在真空条件(或保护气氛)和略低于金属熔点的温度下热压扩散粘结成型，这种方法对纤维损失小，制得的复合材料密度高，但生产效率低，设备要求高。挤压或者轧制法使聚合物与层状基体结合，这种方法的优点使界面反应小，取向规律，缺点使容易损伤聚合物的链段，对金属基体的种类也有限制，成本要求高。综上所述，目前金属/高分子复合材料零件的制造方法不仅制造工艺复杂、制造条件高、生产效率低、成本要求高，而且很难控制零件的精度和强度。因此传统金属/高分子复合材料零件的制造方法大大地阻碍了它的大规模的生产和应用。
目前，采用间接选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)快速制造技术，首先制造出具有多空隙的金属零件形坯，经脱脂和高温烧结后形成多孔金属零件毛坯，得到的是金属零件，在温度和强度要求高的条件下使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属/高分子复合材料零件的快速制造方法，该方法所制造的零件具有强度高和耐热性好的特点。
本发明提供的一种金属/高分子复合材料零件的快速成形方法，其步骤包括：
(1)、采用选择性激光烧结成型方法制备金属/高分子复合材料零件形坯；
(2)、形坯经脱脂和高温烧结后得到多孔金属零件毛坯；
(3)、对上述多孔金属零件进行浸渗处理：
(3.1)将环氧树脂和酚醛树脂或者改性有机硅按重量比为1∶2~2∶1混合，在60℃~80℃时，在其中加入甲基四氢邻苯二甲酸酐，甲基四氢邻苯二甲酸酐与环氧树脂的重量比为(0.4~0.8)∶1，搅拌均匀，升温至100℃，作为渗透液备用；同时将上述零件也预热至100℃；
(3.2)将上述零件浸入渗透液中进行浸渗，待气泡基本消失时，将零件取出；
(4)将渗透后的零件放入140℃～180℃的恒温箱中保温固化，然后冷却即可。
本发明在已经商品化的SLS技术的基础上，采用间接SLS成形技术来制造金属/高分子复合材料零件的方法。间接SLS成形——通过选取高熔点金属粉末材料和低熔点高分子粉末材料来制造金属零件，即在金属粉末中添加某种粘结剂，用较小的激光功率(一般在100W以下)熔化低熔点的粘结剂，熔化的粉末粘结周围未熔化的高熔点金属粉末形成粗坯，烧结后的粗坯孔隙率较大，强度也不是很高，必须经后处理才能成为密实的金属功能件。本发明采用渗树脂工艺过程简单，成本低，零件制造周期短，得到的是金属/高分子复合材料零件，在温度和强度要求低的条件下可以直接作为功能件使用。
本发明可以制造形状结构复杂的各种金属/高分子复合材料零件，该零件采用传统方法难以或无法制造。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
图2为烧结件的浸渗方法图。
图3为增强机理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明方法的步骤为：
(1)、采用选择性激光烧结成型方法制备金属/高分子复合材料零件形坯；
(2)、形坯经脱脂和高温烧结后得到多孔金属零件毛坯；
(3)、用耐高温的高分子材料对上述多孔金属零件进行浸渗处理，以此来增强零件的强度。这样要比用金属进行熔渗节约成本，减少工艺过程，节约时间。具体方法如下：
(3.1)将环氧树脂和酚醛树脂或者改性有机硅按重量比为1∶2～2∶1混合，在60℃～80℃时，再加入固化剂—甲基四氢邻苯二甲酸酐(MeTHPA)，固化剂与环氧树脂的重量比为(0.4～0.8)∶1，搅拌均匀，再升温至90℃～110℃，作为渗透液备用。升温过程中溶液的粘度逐渐减小，流动性增强，容易渗入金属形坯孔隙。并将上述零件也预热至90℃～110℃。
(3.2)将零件浸入上述渗透液中进行浸渗。在浸渍过程中，毛坯表面有大量的气泡产生，并且是从上端开始先产生，并逐渐下移，待气泡数逐渐减少至零时，将零件取出。此时零件表面的环氧树脂浸渗到金属件里面，表面液体逐渐消失。对于复杂形状的零件，为获得更好的浸渗的效果，可用毛刷在金属件的表面刷环氧树脂，反复多次，直至零件表面的环氧树脂不再渗入，表面变得湿润，可以认为环氧树脂基本渗满零件。
(4)将渗透后的零件放入140℃～180℃的恒温箱中保温固化2～6个小时，然后冷却取出即可。
实施例1：
本发明采用环氧树脂粉末和300目316L不锈钢粉末在一定配比(如1∶100)下混和均匀作为原料，通过华中科技大学HRPS-III型选择性激光烧结(SLS)成型系统，参数设定为：激光能量15W；扫描速度2000mm/s；烧结间距0.1mm；烧结层厚0.1mm。得到的原型件毛坯在还原性气氛的条件下，经400℃-600℃的温度下对进行脱脂，接着升温到1180℃的温度下进行高温烧结处理，冷却取出得到多孔金属零件毛坯。
将环氧树脂和酚醛树脂按1∶2混合，在60℃的温度下加入50％的甲基四氢邻苯二甲酸酐(MeTHPA)作为固化剂，并将其搅拌均匀，然后逐渐升温至90℃。同时将多孔金属零件(1)也预热至90℃，升温过程中溶液的粘度逐渐减小，流动性增强，容易渗入形坯孔隙。如图2所示，浸渍过程可以采用零件(1)逐渐放入浸渍液(2)中，让浸渍液(2)逐步完成从形坯底端到顶端的渗透，在浸渍过程中，毛坯(1)表面有大量的气泡产生，并且是从上端开始先产生，并逐渐下移，待气泡数逐渐减少至零时，将毛坯(1)取出，此时表面的树脂浸渗到金属零件毛坯(1)里面，表面液体逐渐消失，此时再用毛刷在毛坯(1)的表面刷树脂，反复多次，直至表面的树脂不再渗入，表面变得湿润，可以认为树脂基本渗满形坯。最后将渗好的毛坯(1)放在160℃温度下的恒温箱中保温固化6个小时，然后冷却取出得到金属/高分子复合材料零件。
如图3所示，烧结后的试样具有很多孔隙和空洞，而浸渗树脂后孔隙和空洞都被完全填充，填充的树脂(3)主要对于试样机械性能的影响主要具有两方面的作用：一是粘结作用，进一步增强了金属颗粒间(4)的联系，提高了抗拉能力(5)；一是填充金属颗粒间的孔隙，使孔隙间变得更加充实，因而阻碍了颗粒的运动，增加阻挡力(6)，从而增强了试样的机械性能。
实施例2：
本发明采用环氧树脂粉末和350目420L不锈钢粉末在一定配比(如5：100)下混和均匀作为原料，通过华中科技大学HRPS-III型选择性激光烧结(SLS)成型系统，参数设定为：激光能量15W；扫描速度2000mm/s；烧结间距0.1mm；烧结层厚0.1mm。得到的原型件毛坯在还原性气氛的条件下，经400℃-600℃的温度下对进行脱脂，接着升温到1100℃的温度下进行高温烧结处理，冷却取出得到多孔金属零件毛坯。
将环氧树脂和酚醛树脂按1∶1混合，在60℃的温度下加入50％的甲基四氢邻苯二甲酸酐(MeTHPA)作为固化剂，并将其搅拌均匀，然后逐渐升温至100℃。同时将多孔金属零件(1)也预热至100℃，升温过程中溶液的粘度逐渐减小，流动性增强，容易渗入形坯孔隙。如图2所示，浸渍过程可以采用零件(1)逐渐放入浸渍液(2)中，让浸渍液(2)逐步完成从形坯底端到顶端的渗透，在浸渍过程中，毛坯(1)表面有大量的气泡产生，并且是从上端开始先产生，并逐渐下移，待气泡数逐渐减少至零时，将毛坯(1)取出，此时表面的树脂浸渗到金属零件毛坯(1)里面，表面液体逐渐消失，此时再用毛刷在毛坯(1)的表面刷树脂，反复多次，直至表面的树脂不再渗入，表面变得湿润，可以认为树脂基本渗满形坯。最后将渗好的毛坯(1)放在160℃温度下的恒温箱中保温固化6个小时，然后冷却取出得到金属/高分子复合材料零件。
如图3所示，烧结后的试样具有很多孔隙和空洞，而浸渗树脂后孔隙和空洞都被完全填充，填充的树脂(3)主要对于试样机械性能的影响主要具有两方面的作用：一是粘结作用，进一步增强了金属颗粒间(4)的联系，提高了抗拉能力(5)；一是填充金属颗粒间的孔隙，使孔隙间变得更加充实，因而阻碍了颗粒的运动，增加阻挡力(6)，从而增强了试样的机械性能。
实施例3：
本发明采用环氧树脂粉末和400目1Cr18Ni9Ti粉末在一定配比(如1∶100)下混和均匀作为原料，通过华中科技大学HRPS-III型选择性激光烧结(SLS)成型系统，参数设定为：激光能量15W；扫描速度2000mm/s；烧结间距0.1mm；烧结层厚0.1mm。得到的原型件毛坯在还原性气氛的条件下，经400℃-600℃的温度下对进行脱脂，接着升温到1200℃的温度下进行高温烧结处理，冷却取出得到多孔金属零件毛坯。
将环氧树脂和改性有机硅按2∶1混合，在60℃的温度下加入50％的甲基四氢邻苯二甲酸酐(MeTHPA)作为固化剂，并将其搅拌均匀，然后逐渐升温至110℃。同时将多孔金属零件(1)也预热至110℃，升温过程中溶液的粘度逐渐减小，流动性增强，容易渗入形坯孔隙。如图2所示，浸渍过程可以采用零件(1)逐渐放入浸渍液(2)中，让浸渍液(2)逐步完成从形坯底端到顶端的渗透，在浸渍过程中，毛坯(1)表面有大量的气泡产生，并且是从上端开始先产生，并逐渐下移，待气泡数逐渐减少至零时，将毛坯(1)取出，此时表面的树脂浸渗到金属零件毛坯(1)里面，表面液体逐渐消失，此时再用毛刷在毛坯(1)的表面刷树脂，反复多次，直至表面的树脂不再渗入，表面变得湿润，可以认为树脂基本渗满形坯。最后将渗好的毛坯(1)放在160℃温度下的恒温箱中保温固化6个小时，然后冷却取出得到金属/高分子复合材料零件。
如图3所示，烧结后的试样具有很多孔隙和空洞，而浸渗树脂后孔隙和空洞都被完全填充，填充的树脂(3)主要对于试样机械性能的影响主要具有两方面的作用：一是粘结作用，进一步增强了金属颗粒间(4)的联系，提高了抗拉能力(5)；一是填充金属颗粒间的孔隙，使孔隙间变得更加充实，因而阻碍了颗粒的运动，增加阻挡力(6)，从而增强了试样的机械性能。
Claims (1)
1、一种金属/高分子复合零件的快速成形方法，其步骤包括：
(1)、采用选择性激光烧结成型方法制备金属/高分子复合材料零件形坯；
(2)、形坯经脱脂和高温烧结后形成多孔金属零件毛坯；
(3)、对上述多孔金属零件毛坯进行浸渗处理：
(3.1)将环氧树脂和酚醛树脂或者改性有机硅按重量比为1∶2～2∶1混合，在60℃～80℃时，在其中加入甲基四氢邻苯二甲酸酐，甲基四氢邻苯二甲酸酐与环氧树脂的重量比为(0.4～0.8)∶1，搅拌均匀，升温至90℃～110℃，作为渗透液备用；同时将上述毛坯也预热至90℃～110℃；
(3.2)将上述毛坯浸入渗透液中进行浸渗，待气泡基本消失时，将毛坯取出；
(4)将渗透后的毛坯放入140℃～180℃的恒温箱中保温固化，然后冷却即可。
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