[发明专利]一种低功率激光烧结法金属3D打印产品生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用金属粉末添加热塑性有机粘接剂,通过低功率选着性激光烧结或电子束烧结法3D打印机打印含粘接剂的金属产品生坯，再通过脱除生坯粘结剂、高温烧结合金化致密化生产金属零部件产品的方法和设备。

 

背景技术

3D打印生产技术属于近净成型增材制造技术的一种，其原理为由软件把计算机设计的三维零部件实体图分解成若干层平面切片，通过3D打印机打印输出，生产不同材质的所需零部件产品；因其柔性化、定制化、快速近净成型生产结构复杂的不同材质零部件的俱多优点，成为一种极具发展前景的增材制造技术，特别在设计制造一体化整体成型、直接生产高性能复杂金属零部件整体模块方面拥有特殊优势。

目前类似3D打印近净成型增材制造制造技术在全世界得以飞速发展，已初步商用化的生产方法主要有激光立体成型法、选择性激光烧结法、选择性电子束烧结法、低温熔融层积法等。

3D打印选择性激光/电子束烧结法工艺是利用粉末材料，主要有热塑性高分子材料粉末、金属粉末、陶瓷粉末等，在计算机控制下激光/电子束对粉末分层进行选择性界面照射烧结，并层层堆积成型，是增材制造近净成型的主要方法之一，可以生产多种材质任意三维形状的零部件。

由于金属熔化或烧结温度高，用激光成型法和电子束烧结法所使用的激光发生器功率或电子束发生电源功率很大，选择性激光烧结法的激光发生器功率一般在200W以上，高功率激光器生产技术难度大，成本昂贵，大规模商用投资大，设备维护复杂，门槛高。而利用部分成熟技术开发一种低成本方式的3D打印生产金属零部件设备和工艺已成为现实需求。

发明内容

为了解决目前3D打印技术成本昂贵，设备维护复杂的缺点，本发明开发出一种低功率激光烧结法金属3D打印产品生产方法。

本发明采用金属粉末材料加热塑性成型粘接剂的方法，制备出低融点的3D金属打印原材料混合料，由于金属粉末颗粒表面形成薄层热塑性粘结剂，通过低功率（小于50W）选择性激光烧结或电子束烧结法3D打印机，金属粉末表层的薄层热塑性粘结剂经过低温融化—冷却粘结固化过程，并层层堆积成型，就可以使用制备的此类金属粉末原材料，打印出金属零部件产品生坯，生坯零部件通过热脱脂法或化学催化脱脂法等工艺脱除生坯零部件中的成型粘接剂，再用真空烧结或气氛保护烧结方法进行脱除成型粘结剂后的生坯高温烧结，生产出合金化致密的高性能复杂金属零部件产品。

本发明的生产工艺过程：

金属粉末材料+热塑性成型粘结剂——混练成型金属粉末混合料——破碎——低功率选择性激光烧结或电子束烧结法3D打印机打印生产零部件生坯——生坯脱除粘结剂——高温烧结——金属零部件产品

热塑性成型粘结剂功能：增加3D打印所需金属粉末原材料的低温热塑性和维持成型形状。

以上发明的技术方法不但用于金属的3D打印生产，各种陶瓷材料的3D打印也适用于本发明技术所使用的低功率激光烧结法3D打印产品生产。

具体实施方式

   下面结合具体的实施例来描述这一发明。

    用3D打印钛合金Ti-6Al-4V（TC4）材质金属零部件产品为例说明如下：

一．热塑性成型金属粉末混合料制备

（1）选择平均粒径D50=25μm的钛合金Ti-6Al-4V（TC4）牌号球形金属粉末

（2）热塑性成型粘结剂成分：50%石蜡+50%聚乙烯

（3）混炼：60%金属粉末含量+40%成型粘结剂体积含量，用5公斤螺杆混炼机，在温度120℃以下混炼20KG混合料20小时。

二．破碎

    混练的金属粉末混合成团，采用气流粉碎机破碎成微细颗粒，一般控制粒度50um以下。

三．3D打印成型金属零部件生坯

（1）选用已商业化激光器40W低功率的选择性激光烧结3D打印机，激光烧结温度控制在200℃以下，打印室温度控制在80℃以内，具有热塑性特性的金属粉末混合料在激光光斑的照射下产生粉末表面粘结剂融化—冷却凝固过程，并层层堆积成型。

（2）利用专业3D打印软件在计算机中设计好要打印的三维金属零部件产品模型，设置打印参数，3D打印机打印成型零部件生坯。

四．零部件生坯成型粘结剂脱除

   在专用热脱脂炉中，金属零部件生坯中的粘结剂被加热脱除，此过程中设定加热工艺曲线，控制升温速率，保证粘结剂脱除干净，零部件生坯不变形。

五．脱除零部件生坯成型粘结剂后真空烧结

    脱除粘结剂的钛合金部件生坯放入真空烧结炉，根据此钛合金Ti-6Al-4V（TC4）材质，液相烧结温度设定为1250℃，制定烧结温度曲线，对零部件生坯进行高温烧结，生坯产品烧结收缩致密化合金化，生产出有一定机械性能的钛合金Ti-6Al-4V（TC4）金属零部件产品。