一種采用3d打印與粉末冶金結(jié)合的零件制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種采用3D打印與粉末冶金結(jié)合的零件制備方法，其技術(shù)方案為利用3D打印技術(shù)將粉末冶金所需金屬或非金屬粉末直接成型，然后經(jīng)過(guò)加壓、燒結(jié)、后處理等工序，制成最終零件。本發(fā)明方法相比傳統(tǒng)3D打印技術(shù)，突破了對(duì)原料適用范圍的限制，可以用來(lái)生產(chǎn)各種金屬、陶瓷等材料，并且具有更優(yōu)越的機(jī)械性能。相比傳統(tǒng)的粉末冶金技術(shù)，不許需要模具，并且可以生成中空結(jié)構(gòu)的零件，在小批量制造、特種零件制造上有獨(dú)特的優(yōu)越性。本方法制備的零件，組織均勻、工藝穩(wěn)定可靠、操作性強(qiáng)、耗時(shí)短效率高、成本較低，為3D打印技術(shù)制備粉末冶金零件的提供了一種可行的小批量定制化生產(chǎn)方法。
【專利說(shuō)明】一種采用3D打印與粉末冶金結(jié)合的零件制備方法
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】:
本發(fā)明涉及一種采用3D打印與粉末冶金結(jié)合的零件制備方法，屬材料加工【技術(shù)領(lǐng)域】。
[0002]【背景技術(shù)】:
3D打印，即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。該技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、工程和施工(AEC)、汽車，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。
[0003]雖然高端工業(yè)印刷可以實(shí)現(xiàn)塑料、某些金屬或者陶瓷打印，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)3D打印。另外，打印機(jī)也還沒(méi)有達(dá)到成熟的水平，無(wú)法支持日常生活中所接觸到的各種各樣的材料。
[0004]粉末冶金是制取金屬或用金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料，經(jīng)過(guò)成形和燒結(jié)，制造金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型制品的工藝技術(shù)。粉末冶金法與生產(chǎn)陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技術(shù)也可用于陶瓷材料的制備。由于粉末冶金技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，它已成為解決新材料問(wèn)題的鑰匙，在新材料的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。目前，粉末冶金技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于交通、機(jī)械、電子、航空航天、兵器、生物、新能源、信息和核工業(yè)等領(lǐng)域，成為新材料科學(xué)中最具發(fā)展活力的分支之一。粉末冶金技術(shù)具備顯著節(jié)能、省材、性能優(yōu)異、產(chǎn)品精度高且穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，非常適合于大批量生產(chǎn)。另夕卜，部分用傳統(tǒng)鑄造方法和機(jī)械加工方法無(wú)法制備的材料和復(fù)雜零件也可用粉末冶金技術(shù)制造，因而備受工業(yè)界的重視。
[0005]粉末冶金具有獨(dú)特的化學(xué)組成和機(jī)械、物理性能，而這些性能是用傳統(tǒng)的熔鑄方法無(wú)法獲得的。運(yùn)用粉末冶金技術(shù)可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品，如含油軸承、齒輪、凸輪、導(dǎo)桿、刀具等，是一種少無(wú)切削工藝。(I)粉末冶金技術(shù)可以最大限度地減少合金成分偏聚，消除粗大、不均勻的鑄造組織。在制備高性能稀土永磁材料、稀土儲(chǔ)氫材料、稀土發(fā)光材料、稀土催化劑、高溫超導(dǎo)材料、新型金屬材料(如Al-Li合金、耐熱Al合金、超合金、粉末耐蝕不銹鋼、粉末高速鋼、金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料等)具有重要的作用。(2)可以制備非晶、微晶、準(zhǔn)晶、納米晶和超飽和固溶體等一系列高性能非平衡材料，這些材料具有優(yōu)異的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能。(3)可以容易地實(shí)現(xiàn)多種類型的復(fù)合，充分發(fā)揮各組元材料各自的特性，是一種低成本生產(chǎn)高性能金屬基和陶瓷復(fù)合材料的工藝技術(shù)。(4)可以生產(chǎn)普通熔煉法無(wú)法生產(chǎn)的具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分離膜材料、高性能結(jié)構(gòu)陶瓷磨具和功能陶瓷材料等。(5)可以實(shí)現(xiàn)近凈形成形和自動(dòng)化批量生產(chǎn)，從而，可以有效地降低生產(chǎn)的資源和能源消耗。(6)可以充分利用礦石、尾礦、煉鋼污泥、軋鋼鐵鱗、回收廢舊金屬作原料，是一種可有效進(jìn)行材料再生和綜合利用的新技術(shù)。
[0006]目前，粉末冶金技術(shù)存在的限制為需要制作模具，在小批量生產(chǎn)、定制生產(chǎn)和特殊應(yīng)用生產(chǎn)中成本高昂。并且，即使使用模具，受模具成型原理的限制，也無(wú)法生產(chǎn)具有中空結(jié)構(gòu)或內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。
[0007]北京科技大學(xué)的郭志猛等人提出了一種利用3D打印模具制備粉末冶金復(fù)雜形狀零件的方法，將3D打印技術(shù)與凝膠注模成形技術(shù)相結(jié)合，即使用3D打印機(jī)打印復(fù)雜形狀薄壁中空的零件負(fù)型模具，通過(guò)凝膠注模工藝制備出金屬料漿，加入催化劑、引發(fā)劑后將其注入零件負(fù)型模具中，待金屬料漿固化后干燥，使用有機(jī)溶劑將塑料模具溶解或使塑料模具熱分解脫除，得到成型的零件坯體，零件坯體經(jīng)干燥、脫膠和燒結(jié)得到所需粉末冶金零件。該方法克服了粉末冶金技術(shù)在小批量生產(chǎn)中的模具成本問(wèn)題，但是仍然無(wú)法生產(chǎn)具有中空結(jié)構(gòu)或內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。
[0008]
【發(fā)明內(nèi)容】
:
鑒于以上技術(shù)的不足，本發(fā)明針對(duì)3D打印技術(shù)無(wú)法適用于多種金屬材料、非金屬材料的問(wèn)題、粉末冶金技術(shù)在小批量生產(chǎn)中的模具成本問(wèn)題、粉末冶金和其他金屬加工技術(shù)無(wú)法生產(chǎn)具有中空結(jié)構(gòu)或內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件的問(wèn)題，提出一種采用3D打印與粉末冶金結(jié)合的零件制備方法，利用3D打印技術(shù)將粉末冶金所需金屬或非金屬粉末直接成型，然后經(jīng)過(guò)加壓、燒結(jié)、后處理等工序，制成最終零件。
[0009]方法所用工序?yàn)榉勰┲苽湟?D打印成型一燒結(jié)一零件后處理。
[0010]方法所用原料為金屬或非金屬粉末，混合f 50%的光硬化樹(shù)脂粉末所形成的混合材料。
[0011]3D打印所用硬化類型為光聚合技術(shù)，通過(guò)光硬化樹(shù)脂的固化，將整體粉末材料成型。
[0012]燒結(jié)在保護(hù)氣氛的高溫爐或真空爐中進(jìn)行。燒結(jié)時(shí)至少有一種元素仍處于固態(tài)。燒結(jié)過(guò)程中樹(shù)脂被高溫?zé)簦蟹勰╊w粒間通過(guò)擴(kuò)散、再結(jié)晶、熔焊、化合、溶解等一系列的物理化學(xué)過(guò)程，成為具有一定孔隙度的冶金產(chǎn)品。
[0013]對(duì)于零件后處理工序，一般情況下，燒結(jié)好的制件可直接使用。但對(duì)于某些尺寸要求精度高并且有高的硬度、耐磨性的制件還要進(jìn)行燒結(jié)后處理。后處理包括精壓、滾壓、擠壓、淬火、表面淬火、浸油、及熔滲等。
[0014]有益效果:
本發(fā)明方法相比傳統(tǒng)3D打印技術(shù)，突破了對(duì)原料適用范圍的限制，可以用來(lái)生產(chǎn)各種金屬、陶瓷等材料，并且具有更優(yōu)越的機(jī)械性能。相比傳統(tǒng)的粉末冶金技術(shù)，不許需要模具，并且可以生成中空結(jié)構(gòu)的零件，在小批量制造、特種零件制造上有獨(dú)特的優(yōu)越性。本方法制備的零件，組織均勻、工藝穩(wěn)定可靠、操作性強(qiáng)、耗時(shí)短效率高、成本較低，為3D打印技術(shù)制備粉末冶金零件的提供了一種可行的小批量定制化生產(chǎn)方法。
[0015]【具體實(shí)施方式】:
為更好地說(shuō)明本發(fā)明，便于理解本發(fā)明的技術(shù)方案，本發(fā)明的典型但非限制性的實(shí)施例如下。
[0016]采用3D打印，結(jié)合粉末冶金，使用耐熱Al合金粉末制作汽車渦輪增壓器。
[0017]粉末原料配比為90%耐熱Al合金，10%ABS光硬化樹(shù)脂。
[0018]采用激光3D打印機(jī)將粉末成型。
[0019]燒結(jié)在真空爐中進(jìn)行，燒結(jié)溫度為55(Γ580° C，燒結(jié)時(shí)間lh。樹(shù)脂被高溫?zé)?，Al合金粉末固化成型。成型后做時(shí)效處理。
[0020]對(duì)成型零件外形做精加工，內(nèi)部腔體等不做加工。
[0021] 申請(qǐng)人:聲明，以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種采用3D打印與粉末冶金結(jié)合的零件制備方法，其特征在于:方法所用工序?yàn)榉勰┲苽湟?D打印成型一燒結(jié)一零件后處理。
2.根據(jù)權(quán)利I所述的零件制備方法，其特征在于:方法所用原料為金屬或非金屬粉末，混合f 50%的光硬化樹(shù)脂粉末所形成的混合材料。
3.根據(jù)權(quán)利I所述的零件制備方法，其特征在于:3D打印所用硬化類型為光聚合技術(shù)，通過(guò)光硬化樹(shù)脂的固化，將整體粉末材料成型。
4.根據(jù)權(quán)利I所述的零件制備方法，其特征在于:燒結(jié)在保護(hù)氣氛的高溫爐或真空爐中進(jìn)行，燒結(jié)時(shí)至少有一種元素仍處于固態(tài)，燒結(jié)過(guò)程中樹(shù)脂被高溫?zé)?，而原有粉末顆粒間通過(guò)擴(kuò)散、再結(jié)晶、熔焊、化合、溶解等一系列的物理化學(xué)過(guò)程，成為具有一定孔隙度的冶金產(chǎn)品。
5.根據(jù)權(quán)利I所述的零件制備方法，其特征在于:對(duì)于零件后處理工序，一般情況下，燒結(jié)好的制件可直接使用，但對(duì)于某些尺寸要求精度高并且有高的硬度、耐磨性的制件還要進(jìn)行燒結(jié)后處理，后處理包括精壓、滾壓、擠壓、淬火、表面淬火、浸油、及熔滲等。
【文檔編號(hào)】B22F3/22GK104353835SQ201410646530
【公開(kāi)日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年11月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月15日
【發(fā)明者】聶剛, 謝峰, 龍海敏 申請(qǐng)人:安徽省新方尊鑄造科技有限公司