CN103801695B - 一种金属料浆3d打印无模注射成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属料浆3D打印无模注射成形方法，将3D打印技术与注射成形技术相结合，利用注射成形工艺将金属粉末与有机粘结剂混合均匀后制成金属料浆，以该料浆作为3D打印的原料，利用3D打印设备根据数据模型分层打印，逐层累积即得金属坯体，而后通过脱脂、烧结得到复杂形状金属零部件产品。该方法能够制备包含封闭空腔、复杂内腔等传统注射成形无法制备的零件，利用3D打印技术直接成形金属坯体，无需模具，单件、小批量生产的成本低，且对粉末原料要求低，工艺可靠性高、重复性强、效率高，易于实现3D打印技术制备小型薄壁复杂形状金属零部件的产业化。

Description

一种金属料浆3D打印无模注射成形方法

技术领域

本发明涉及一种金属粉末成形技术，属于金属零部件制备技术领域，特别是提供了一种金属料浆3D打印无模注射成形制备小型薄壁复杂形状金属零部件的方法。

背景技术

3D打印技术又称三维打印技术，是一种以数字模型文件为基础，将计算机设计出来的图形数据导入3D打印设备，打印机内装有粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过电脑控制将材料叠层添加构造三维物体，最终把计算机上的蓝图变成实物的数字化、智能化增材制造技术。目前，3D打印技术发展迅速，金属零件3D打印，代表3D打印最为前沿的技术，已经在航空航天等领域获得应用。然而，现有3D打印技术成本很高，一方面由于金属粉末原料成本高，需要粒度细、球形度好的粉末，另一方面需配备高能加热系统使粉末原料熔化，且整个成形过程耗时长、效率低。

粉末注射成形是传统粉末冶金与现代塑料注射成形工艺相结合而形成的一种新型粉末冶金近净成形技术。其基本过程为：首先将固体粉末与有机粘结剂均匀混合，经制粒后在加热状态下用注射成形机将粒状料注入模腔内冷凝成形，然后用化学或热分解的方法将成形坯中的粘结剂脱除，最后经烧结致密化得到最终产品。该技术的最大特点是可以直接制造出具有最终形状的零部件，由于该技术是在流动状态下均匀填充模腔成形，模腔内各点压力一致，从而密度一致，消除了传统粉末冶金压制成形制品不可避免的沿压制方向的密度梯度，可以获得组织结构均匀、力学性能优异的近净成形零部件，特别适合于小型薄壁复杂形状零件的批量制备。然而，由于注射成形产品结构复杂，模具成本很高，因此只有在大批量生产时才能发挥成本优势。此外，一些复杂零件无法制备模具，如封闭空腔、复杂内腔等，限制了注射成形的应用。

本发明提供一种将3D打印技术与注射成形技术相结合的小型三维复杂形状金属零部件制备方法，首先利用注射成形制备喂料的工艺制备金属料浆，也就是将金属粉末与有机粘结剂在加热状态下混合均匀制成料浆，以该料浆作为3D打印的原料，利用3D打印设备根据数据模型分层打印，逐层累积即得金属坯体，而后通过脱脂、烧结得到小型薄壁复杂形状金属零部件产品。与传统金属注射成形相比，无需模具，且对零件的尺寸、形状适应性更高。与金属直接3D打印工艺相比成本低、对原料粉末要求低、耗时短、效率高。目前还未见到利用金属料浆3D打印无模注射成形制备小型薄壁复杂形状金属零部件方法的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属料浆3D打印无模注射成形制备小型薄壁复杂形状金属零部件的方法，将金属粉末与有机粘结剂混合均匀后制成金属料浆，以该料浆作为3D打印的原料，利用3D打印技术制备出金属坯体，经过脱脂、烧结得到小型薄壁复杂形状金属零部件。其具体工艺流程及参数如下：

1)制备粘结剂：将石蜡、高密度聚乙烯、聚丙烯、硬脂酸按比例混合均匀制成粘结剂，其中石蜡含量为45~75wt.%、高密度聚乙烯含量为10~25wt.%、聚丙烯含量为10~20wt.%、硬脂酸含量为5~10wt.%，这种成分的粘结剂可保证加热到120~170℃能熔化成粘性液体，冷却到20~30℃时能快速凝固；

2)制备金属料浆：将上述粘结剂与平均粒度5~30μm的金属粉末混合均匀制成金属料浆，料浆中金属粉末含量为45~60vol.%；

3)数据建模：利用三维造型软件设计零件模型，特别是有封闭空腔、复杂内腔的小型薄壁复杂形状三维零件模型，将零件模型进行分层切片处理，层片厚度为0.05mm~0.25mm，得到零件的三维模型数据；

4)3D打印：把零件的三维模型数据导入3D打印设备中，打印机喷嘴温度为120℃~170℃。放入金属坯体料浆按照三维数据模型进行打印，分层打印后金属料浆迅速冷却凝固，逐层累积形成3D打印金属坯体；

5)脱脂：3D打印金属坯体采用溶剂脱脂和热脱脂两步脱脂工艺，首先在三氯乙烯液体中40~60℃进行溶剂脱脂6~10h，然后在加热炉内进行热脱脂及预烧结获得预烧坯，温度为400℃~1000℃，时间为5~20h；

6)烧结：在上述加热炉内继续升温，预烧结坯体在550~1500℃温度范围内烧结1~5h即能得到所需的小型薄壁复杂形状金属零部件。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)零部件形状适应性强：3D打印能够制备封闭空腔、复杂内腔等传统注射成形无法制备的薄壁复杂形状零件；

2)无模具：传统注射成形工艺需将喂料注入模具成形出坯体，而本发明利用金属料浆3D打印直接成形坯体，无需模具；

3)粉末原料要求低：金属直接3D打印需要优质粉末原料，粉末的球形度高、粒度细且粒径分布均匀，制备合金时须以合金粉为原料；而本发明对粉末原料的要求低，且可使用元素粉末；

4)易于产业化：与金属直接3D打印成形相比，本发明成本低、可靠性高、可重复性强，易于工业化生产。

具体实施方式

实施实例1：利用钛铝料浆3D打印无模注射成形制备小型薄壁复杂形状钛铝零件

1)制备粘结剂：将石蜡、高密度聚乙烯、聚丙烯、硬脂酸按比例混合均匀制成粘结剂，其中石蜡含量为75wt.%、高密度聚乙烯含量为10wt.%、聚丙烯含量为10wt.%、硬脂酸含量为5wt.%，这种成分的粘结剂可保证加热到120℃能熔化成粘性液体，冷却到20℃时能快速凝固；

2)制备钛铝坯体料浆：将上述粘结剂与平均粒度30μm的钛铝粉末混合均匀制成钛铝料浆，料浆中钛铝粉末含量为60vol.%；

3)数据建模：利用三维造型软件设计零件模型，特别是有封闭空腔、复杂内腔的小型薄壁复杂形状零件模型，将零件模型进行分层切片处理，层片厚度为0.05mm，得到零件的三维模型数据；

4)3D打印：把零件的三维模型数据导入3D打印设备中，打印机喷嘴温度为120℃。放入钛铝料浆按照三维数据模型进行打印，分层打印后钛铝料浆迅速冷却凝固，逐层累积形成3D打印钛铝坯体；

5)脱脂：3D打印钛铝坯体采用溶剂脱脂和热脱脂两步脱脂工艺，首先在三氯乙烯液体中40℃进行溶剂脱脂10h，然后在加热炉内进行热脱脂及预烧结获得预烧坯，温度为1000℃，时间为5h；

6)烧结：在上述加热炉内继续升温，预烧结坯体在1500℃烧结1h即能得到所需的小型薄壁复杂形状钛铝零件。

实施实例2：利用铝粉料浆3D打印无模注射成形制备小型薄壁复杂形状铝零件

1)制备粘结剂：将石蜡、高密度聚乙烯、聚丙烯、硬脂酸按比例混合均匀制成粘结剂，其中石蜡含量为45wt.%、高密度聚乙烯含量为25wt.%、聚丙烯含量为20wt.%、硬脂酸含量为10wt.%，这种成分的粘结剂可保证加热到170℃能熔化成粘性液体，冷却到30℃时能快速凝固；

2)制备铝粉料浆：将上述粘结剂与平均粒度10μm的铝粉混合均匀制成铝粉料浆，料浆中铝粉含量为45vol.%；

3)数据建模：利用三维造型软件设计零件模型，特别是有封闭空腔、复杂内腔的小型薄壁复杂形状零件模型，将零件模型进行分层切片处理，层片厚度为0.25mm，得到零件的三维模型数据；

4)3D打印：把零件的三维模型数据导入3D打印设备中，打印机喷嘴温度为170℃。放入铝粉料浆按照三维数据模型进行打印，分层打印后铝粉料浆迅速冷却凝固，逐层累积形成3D打印铝粉坯体；

5)脱脂：3D打印铝粉坯体采用溶剂脱脂和热脱脂两步脱脂工艺，首先在三氯乙烯液体中60℃进行溶剂脱脂6h，然后在加热炉内进行热脱脂及预烧结获得预烧坯，温度为400℃，时间为20h；

6)烧结：在上述加热炉内继续升温，预烧结坯体在550℃烧结5h即能得到所需的小型薄壁复杂形状铝零件。

Claims (1)

1.一种金属料浆3D打印无模注射成形方法，其特征在于：

步骤一、制备粘结剂：将石蜡、高密度聚乙烯、聚丙烯、硬脂酸按比例混合均匀制成粘结剂，其中石蜡含量为45~75wt.%、高密度聚乙烯含量为10~25wt.%、聚丙烯含量为10~20wt.%、硬脂酸含量为5~10wt.%；

步骤二、制备金属料浆：将上述粘结剂与平均粒度5~30μm的金属粉末混合均匀制成金属料浆，料浆中金属粉末含量为45~60vol.%；

步骤三、数据建模：利用三维造型软件设计零件模型，将零件模型进行分层切片处理，层片厚度为0.05mm~0.25mm，得到零件的三维模型数据；

步骤四、3D打印：把零件的三维模型数据导入3D打印设备中，打印机喷嘴温度为120℃~170℃，放入金属料浆按照三维数据模型进行打印，分层打印后金属料浆迅速冷却凝固，逐层累积形成3D打印金属坯体；

步骤五、脱脂：3D打印金属坯体采用溶剂脱脂和热脱脂两步脱脂工艺，首先在三氯乙烯液体中40~60℃进行溶剂脱脂6~10h，然后在加热炉内进行热脱脂及预烧结获得预烧坯，温度为400℃~1000℃，时间为5~20h；

步骤六、烧结：在上述加热炉内继续升温，预烧结坯体在550~1500℃温度范围内烧结1~5h，得到所需的金属零部件。