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CN118404085A - 一种粘结剂喷射3d打印方法 - Google Patents

一种粘结剂喷射3d打印方法 Download PDF

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CN118404085A
CN118404085A CN202410533385.1A CN202410533385A CN118404085A CN 118404085 A CN118404085 A CN 118404085A CN 202410533385 A CN202410533385 A CN 202410533385A CN 118404085 A CN118404085 A CN 118404085A
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CN
China
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powder
printing
printing method
binder
sintering
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CN202410533385.1A
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English (en)
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杨正学
张龙江
陈卫东
董智超
白晨
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Kocel Intelligent Machinery Ltd
Original Assignee
Kocel Intelligent Machinery Ltd
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Abstract

本申请涉及一种粘结剂喷射3D打印方法，包括：采用平均粒径为30‑38μm的大颗粒粉末和平均粒径为10‑18μm的小颗粒粉末进行级配，且小颗粒粉末与大颗粒粉末的平均粒径比为0.35‑0.45；采用混粉机将两种粉末混合均匀，混粉时间为2‑6小时；将级配后的粉末置于铺粉器中进行粘结剂喷射3D打印；对打印完成的生坯进行脱脂烧结处理。本方案能够解决目前粘结喷射工艺打印的零件生坯密度较低导致后续烧结过程中尺寸收缩大、强度和致密度低问题。

Description

一种粘结剂喷射3D打印方法
技术领域
本发明涉及设打印方法技术领域，特别是涉及一种粘结剂喷射3D打印方法。
背景技术
增材制造是以数字模型为基础，基于“离散-堆积”原理，利用计算机控制逐层堆积材料实现三维实体零件打印的方法。根据打印方法不同，金属增材制造方法主要分为粘结剂喷射技术、粉床熔融技术和直接能量沉积等。PBF和DED技术通常利用高能束热源(如激光或电子束)在惰性气体或真空中熔化材料。
虽然这些工艺能够打印高性能金属零件，但过快的加热和冷却速率使得零件微观结构难以控制，同时也存在打印效率低、成本高等局限。相较于PBF和DED技术，粘结剂喷射技术在室温下对零件进行构建，不需要高能量的输入，成本更低，材料体系广泛且无需支撑。粘结剂喷射技术在金属材料方面的研究主要集中于传统合金上，如铁基合金、钛合金、镍基合金等。但基于粘结喷射工艺打印的零件生坯密度较低，会导致后续烧结过程中尺寸收缩大、强度和致密度低，使得最终零件的机械性能只能达到铸造水平。
发明内容
基于此，有必要针对目前粘结喷射工艺打印的零件生坯密度较低导致后续烧结过程中尺寸收缩大、强度和致密度低问题，提供一种粘结剂喷射3D打印方法。
为了解决上述问题，本发明采用下述技术方案：
本发明实施例公开一种粘结剂喷射3D打印方法，包括：
采用平均粒径为30-38μm的大颗粒粉末和平均粒径为10-18μm的小颗粒粉末进行级配，且小颗粒粉末与大颗粒粉末的平均粒径比为0.35-0.45；
采用混粉机将两种粉末混合均匀，混粉时间为2-6小时；
将级配后的粉末置于铺粉器中进行粘结剂喷射3D打印；
对打印完成的生坯进行脱脂烧结处理。
在其中一种实施例中，所述小颗粒粉末的添加量为25-40wt％。
在其中一种实施例中，所述大颗粒粉末和所述小颗粒粉末均为气雾化粉末。
在其中一种实施例中，所述粘结剂喷射3D打印方法用于金属打印。
在其中一种实施例中，在打印过程中所选用的粘结剂为PVP金属液料，粘结剂饱和度为50％-100％，打印层厚为10-100μm。
在其中一种实施例中，打印完成后将粉床工作箱移置固化炉中进行干燥固化，固化温度设置为120-180℃。
在其中一种实施例中，所述对打印完成的生坯进行脱脂烧结处理包括：通过热重分析曲线确定粘结剂脱脂温度，按照1-5℃/min升温至300-600℃，保温60-240min，然后以4-10℃/min升温至烧结温度，保温120-360min进行烧结。
在其中一种实施例中，烧结过程在惰性气体中进行。
在其中一种实施例中，混粉前将两种粉末置于烘箱中，在100-200℃之间保温一定时间使粉末完全干燥。
本发明采用的技术方案能够达到以下有益效果：
本发明实施例公开的粘结剂喷射3D打印方法中，通过采用两种不同粒径范围的粉末进行级配，从而使得小颗粒粉末能够有效填充到大颗粒粉末的孔隙中，进而提高了粘结剂喷射3D打印粉末松装密度，以使粉末具有更宽的粒度分布且近正态分布，生坯具有更高的密度和强度，最终使烧结后的产品具有更好的力学性能，满足了生产和应用的需求。
附图说明
无
具体实施方式
本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“顶部”、“底部”、“底端”、“顶端”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明实施例公开一种粘结剂喷射3D打印方法，所公开的粘结剂喷射3D打印方法具体包括：
采用平均粒径为30-38μm的大颗粒粉末和平均粒径为10-18μm的小颗粒粉末进行级配，且小颗粒粉末与大颗粒粉末的平均粒径比为0.35-0.45；此种情况下，小颗粒粉末可以有效填充到大颗粒粉末的孔隙中，从而提高粉末松装密度。小颗粒粉末与大颗粒粉末按照一定质量比例进行混合，可以使得小颗粒粉末与大颗粒粉末之间的填充效果更好。
采用混粉机将两种粉末混合均匀，混粉时间为2-6小时，以保证混料中的二者的分布均匀性，以便于后续的打印效果。
将级配后的粉末置于铺粉器中进行粘结剂喷射3D打印；打印过程中，打印头基于切片模型选择性的将粘结剂沉积在粉面上构建二维轮廓，然后工作箱粉床下降一层，铺粉器继续铺粉，光滑辊将粉面压实，重复上述步骤至零件打印完成。
对打印完成的生坯进行脱脂烧结处理。此步骤可以去除生坯内的有机成分，以防残碳量的增加，进而防止影响烧结件性能。
通过上述内容可知，本发明实施例公开的粘结剂喷射3D打印方法中，通过采用两种不同粒径范围的粉末进行级配，从而使得小颗粒粉末能够有效填充到大颗粒粉末的孔隙中，进而提高了粘结剂喷射3D打印粉末松装密度，以使粉末具有更宽的粒度分布且近正态分布，生坯具有更高的密度和强度，最终使烧结后的产品具有更好的力学性能，满足了生产和应用的需求。
进一步地，小颗粒粉末的添加量可以为25-40wt％，以更好地保证小颗粒粉末在大颗粒粉末之间的孔隙中的填充效果，从而更好地调高粉末松装密度。
本发明实施例中，大颗粒粉末和小颗粒粉末均可以为气雾化粉末。气雾化粉末是一种金属或合金粉末，其生产过程涉及使用高压气流(如压缩空气、高压氮气或氩气)对液态金属进行喷射。气体雾化粉末的生产不仅涉及喷嘴结构的改进，还包括使用实时图像技术对雾化过程中的温度分布、金属粉末粒度及速度分布进行在线测量，以控制成品粉末的粒度、形状和组织。从而更好地提高了粘结剂喷射3D打印粉末松装密度，以使粉末具有更宽的粒度分布且近正态分布，生坯具有更高的密度和强度，最终使烧结后的产品具有更好的力学性能，满足了生产和应用的需求。
进一步地，本发明实施例公开的粘结剂喷射3D打印方法可以用于金属打印，即能够更好地满足金属打印的要求，以提高金属打印的效果。
进一步地，在打印过程中所选用的粘结剂为PVP金属液料，粘结剂饱和度为50％-100％，打印层厚为10-100μm，以更好地保证粘结喷射工艺打印的零件生坯的密度。
进一步地，打印完成后将粉床工作箱移置固化炉中进行干燥固化，固化温度设置为120-180℃，从而保证生坯强度。并且，固化时间按照打印高度和布图率进行设定和调整，对于易氧化的粉末，应在真空固化炉中进行固化。固化结束后，将粉床置于清粉台，清除金属生坯表面的多余粉末，从而获得生坯。
进一步地，对打印完成的生坯进行脱脂烧结处理的步骤具体包括：通过热重分析曲线确定粘结剂脱脂温度，按照1-5℃/min升温至300-600℃，保温60-240min，然后以4-10℃/min升温至烧结温度，保温120-360min进行烧结。此种方式能够更好地去除生坯内的有机成分，以防残碳量的增加影响烧结件性能。
在一种可选的实施例中，烧结过程可以在惰性气体中进行，例如氮气或氩气等，以保证烧结效果。
本发明实施例中，混粉前可以将两种粉末置于烘箱中，在100-200℃之间保温一定时间使粉末完全干燥，从而能够提高后续的混粉效果。
以下列举了具体的实施案例：
一种粘结剂喷射3D打印方法，以316L不锈钢为例，包括以下步骤：
(1)粉末级配
将平均粒径13.45μm与34.10μm两种不同粒径的气雾化316L不锈钢粉末置于烘箱中，在180℃下干燥4h使粉末完全烘干。待粉末冷却至室温后，在15-53μm大颗粒粉末中添加30wt％的0-25μm小颗粒粉末，两种粉末平均粒径分别为13.54μm和34.10μm，两种粉末平均粒径直径比为0.4。级配后粉末及原粉末的性能如表1所示。可以看出，相较于原粉末，级配后粉末松装密度提高到4.55g/cm3。从变1可以看出级配后的粉末具有较宽的粒度分布，且级配后的粉末粒度分布呈现近似正态分布，具有更好的均匀性。
表1
粉末 平均粒径μm 松装密度g/cm3
0-25μm 13.54 4.32
15-53μm 34.10 4.21
3:7级配 30.14 4.55
(2)生坯打印
将级配后的粉末置于铺粉器中进行粘结剂喷射3D打印。打印过程中，打印头基于切片模型选择性的将粘结剂沉积在粉面上构建二维轮廓，然后工作箱粉床下降一层，铺粉器继续铺粉，光滑辊将粉面压实，重复上述步骤至零件打印完成，打印参数如表2所示。其中，粘结剂选择为PVP金属液料，打印层厚设置为80μm，饱和度为70％。打印完成后将粉床工作箱移置固化炉中进行干燥固化，固化温度设置为160℃，固化时间为240min。固化结束后，将粉床置于清粉台，清除316L不锈钢生坯表面的多余粉末，从而获得生坯。表3所示为级配粉末与原始粉末打印生坯性能对比结果，级配粉末打印的生坯具有更高的密度和强度，密度和强度分别达到了4.63g/cm3和10.23MPa。级配粉末相较于0-25μm粉末具有较小的扬尘，打印环境良好。
表2
表3
(3)脱脂烧结
对316L不锈钢生坯进行脱脂烧结处理，去除生坯内的有机成分，以防残碳量的增加，影响烧结件性能。通过TGA曲线确定粘结剂脱脂温度，按照2℃/min升温至450℃，保温180min。然后以5℃/min升温至1385℃，保温240min进行烧结，烧结采用分压烧结，在惰性气体Ar气中进行。烧结后的性能如表4所示，相较于15-53μm粉末，级配应堆积密度更高，颗粒之间排列更紧密，烧结致密度更高。高的致密度意味着更好的力学性能，从表4可以看出，级配粉末具有更高的抗拉强度和延伸率，分别为574MPa和59％。
表4
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种粘结剂喷射3D打印方法，其特征在于，包括：
采用平均粒径为30-38μm的大颗粒粉末和平均粒径为10-18μm的小颗粒粉末进行级配，且小颗粒粉末与大颗粒粉末的平均粒径比为0.35-0.45；
采用混粉机将两种粉末混合均匀，混粉时间为2-6小时；
将级配后的粉末置于铺粉器中进行粘结剂喷射3D打印；
对打印完成的生坯进行脱脂烧结处理。
2.根据权利要求1所述的粘结剂喷射3D打印方法，其特征在于，所述小颗粒粉末的添加量为25-40wt％。
3.根据权利要求1所述的粘结剂喷射3D打印方法，其特征在于，所述大颗粒粉末和所述小颗粒粉末均为气雾化粉末。
4.根据权利要求1所述的粘结剂喷射3D打印方法，其特征在于，所述粘结剂喷射3D打印方法用于金属打印。
5.根据权利要求4所述的粘结剂喷射3D打印方法，其特征在于，在打印过程中所选用的粘结剂为PVP金属液料，粘结剂饱和度为50％-100％，打印层厚为10-100μm。
6.根据权利要求1所述的粘结剂喷射3D打印方法，其特征在于，打印完成后将粉床工作箱移置固化炉中进行干燥固化，固化温度设置为120-180℃。
7.根据权利要求1所述的粘结剂喷射3D打印方法，其特征在于，所述对打印完成的生坯进行脱脂烧结处理包括：通过热重分析曲线确定粘结剂脱脂温度，按照1-5℃/min升温至300-600℃，保温60-240min，然后以4-10℃/min升温至烧结温度，保温120-360min进行烧结。
8.根据权利要求7所述的粘结剂喷射3D打印方法，其特征在于，烧结过程在惰性气体中进行。
9.根据权利要求1所述的粘结剂喷射3D打印方法，其特征在于，混粉前将两种粉末置于烘箱中，在100-200℃之间保温一定时间使粉末完全干燥。
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