[发明专利]利用响应性聚合物基质进行硬质合金光打印的方法

说明书

利用响应性聚合物基质进行硬质合金光打印的方法，属于合金材料增材制造领域。利用响应性聚合物基质配制兼容全组分硬质合金的光固化前体，并在打印后进行分子冷压与分步致密化，大大提升了打印质量。以上方法操作简单，可将现有硬质合金打印精度由百微米量级提升一个数量级，并可实现致最高密度接近100％的样品打印。

技术领域

本发明涉及一种基于动态光处理技术(DLP)，利用响应性聚合物基质在室温下对硬质合金进行3D打印的方法，属于合金材料增材制造领域。

背景技术

硬质合金因具有高硬度和耐磨性、优良的抗压和耐腐蚀性能，在航空航天、石油钻井、机械加工等领域中获得广泛应用并占据着重要地位。当前硬质合金产品主要依靠粉末冶金法制备，流程繁琐、成形难度大，无法满足现代工业的需求。3D打印是硬质合金的新型制备方法，工序简单、周期短，可实现产品一步制备成形，引起了业内广泛关注。激光选区熔化(SLM)是目前打印硬质合金的最常用技术。其工作流程是在打印设备成形区中均匀铺涂一层金属粉末，利用高能激光束熔化粉末，并在惰性气体保护下冷却，完成单层打印。经过循环上述步骤可实现三维零部件打印。然而，SLM成形的零件质量较低(特别是粘结相含量较低的硬质合金)，成型精度差，且在快速升降温过程中内部应力来不及释放，易在工件内部产生由残余应力导致的微观与宏观缺陷，降低材料的服役性能与寿命。硬质合金的其他3D打印方法，如选区激光烧结(SLS)、熔丝制造(FFF)、墨水直写法(DIW)等其综合表现一般逊于SLM方法。

DLP技术是一类利用光化学反应固化打印前体的3D打印技术，具有成形速度快、打印精度高、打印质量优异等优势，特别适合作为硬质合金打印的新型技术手段。尽管DLP在打印树脂、水凝胶、金属纳米颗粒和陶瓷材料方面已有成功实践，但在硬质合金打印上的应用仍处于技术空白。

针对上述需求与技术瓶颈，本申请的发明人开发了首个基于DLP技术的硬质合金打印方法。利用响应性聚合物基质配制兼容全组分硬质合金的光固化前体，并在打印后进行分子冷压与分步致密化，大大提升了打印质量。以上方法操作简单，可将现有硬质合金打印精度由百微米量级提升一个数量级，并可实现致最高密度接近100％的样品打印。

发明内容

本发明针对现有硬质合金主要3D打印方法成形精度差、样品缺陷较多的问题以及DLP在硬质合金打印领域的技术空白，提出利用响应性聚合物基质开发硬质合金的动态光处理打印方法，以达到同时提高打印质量与精度的目的(图1)。

基于响应性聚合物基质的硬质合金DLP打印方法包括如下步骤：

(1)按照一定比例混合响应性聚合物单体、交联剂、光引发剂、粘稠剂与溶剂，在室温下超声约30min使各组分混合均匀，再加入硬质合金粉末如WC-Co复合粉末震荡均匀配制成可光固化前体；为便于显微镜下观察，可以再加入0.1mg/mL的荧光素-O-甲基丙烯酸酯。

响应性聚合物单体选自如丙烯酰胺、丙烯酸等；交联剂选自N,N’亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯等；光引发剂选自Irgacure819、Irgacure2959等；粘稠剂选自聚乙二醇PEG等；溶剂选自水、乙醇、乙二醇、二甲亚砜等。

响应性聚合物单体、交联剂、光引发剂、粘稠剂、溶剂、硬质合金粉末的用量关系为：当使用1mL溶剂时，响应性聚合物单体为0.1-0.3g，交联剂为10-40mg，光引发剂为1-5mg，粘稠剂为1g，硬质合金粉末为1-2g。

(2)利用常规DLP打印设备与流程打印步骤(1)可光固化前体；其中打印光源应选择波长不大于405nm的LED光源或在紫光波段具有一定强度的连续光源，光源强度应选择200mW，以保证适当的聚合速率；