本發(fā)明屬于3D打印技術(shù)領域，具體涉及一種利用塑料3D打印機打印制造金屬/合金零件的方法。
背景技術(shù)：
3D打印是一種快速成型技術(shù)，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。常在模具制造、工業(yè)設計等領域被用于制造模型，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。3D打印技術(shù)是“增材制造”的主要實現(xiàn)形式！所謂“增材制造”是指區(qū)別于傳統(tǒng)的“去除型”制造，不需要原胚和模具，直接根據(jù)計算機圖形數(shù)據(jù)，通過增加材料的方法生成任何形狀的物體。最大優(yōu)點就是能簡化制造程序，縮短新品研制周期，降低開發(fā)成本和風險！相比傳統(tǒng)制造工藝，3D打印節(jié)省原材料，用料只有原來的1/3到1/2，制造速度卻快3-4倍。
金屬零件3D打印技術(shù)作為整個3D打印體系中最前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。按照金屬粉末的添置方式將金屬3D打印技術(shù)分為3類:1)使用激光照射預先鋪展好的金屬粉末，這種方法目前被設備廠家及各科研院所廣泛采用，包括使用激光照射噴嘴輸送的粉末流，激光與輸送粉末同時工作的激光工程化凈成型，該方法目前在國內(nèi)使用比較多；2)激光選區(qū)熔化技術(shù)；3)采用電子束熔化預先鋪展好的金屬粉末的電子束熔化技術(shù)，此方法與第1類原理相似，只是采用熱源不同。
現(xiàn)有的技術(shù)中。利用3D打印技術(shù)制造金屬零部件的方法中，制作流程相對復雜，制造時間長，原料的利用率較低，造成了資金成本的浪費，且生產(chǎn)的金屬零部件存在隱形的風險。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種利用塑料3D打印機打印制造金屬/合金零件的方法，通過該方法簡化生產(chǎn)流程，降低對材料的要求，并提高原材料的利用率，同時降低投資成本。
為解決上述問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
一種利用塑料3D打印機打印制造金屬/合金零件的方法，該方法包括以下步驟：
1)原材料前處理：將購買的金屬粉末烘干去濕；
2)原材料包覆：經(jīng)過步驟1)處理后的金屬粉末與POM、PE、PP以及抗氧化劑加入到混煉機中進行密煉，完全混合均勻后得到膏狀物；
3)粉末還原：將步驟2)得到的膏狀物經(jīng)過冷卻和干燥后還原成粉末狀，過篩，得到表面包覆高分子材料的粉末顆粒；
4)3D打印：將步驟3)得到的粉末顆粒作為3D打印的原料在塑料3D打印機中打印出預設形狀的零件，得到零件半成品；
5)脫脂：將上述零件半成品放進脫脂爐中脫除POM；
6)燒結(jié)：經(jīng)過步驟6)脫除POM后的零件半成品轉(zhuǎn)入到真空爐中燒結(jié)，得到成品。
作為進一步的方案，本發(fā)明的步驟2)中所述金屬粉末與POM、PE、PP以及抗氧化劑的用量以質(zhì)量百分數(shù)計分別為：
POM 3％-10％；
PE 4％-6％；
PP 2％-4％；
抗氧化劑 0.1％-1％；
金屬粉末余量。
作為進一步的方案，本發(fā)明的步驟2)中采用混煉機的密煉的溫度設置為160-200℃，密煉時間為1.5-2.5小時，密煉完成后立即降至室溫。
作為進一步的方案，本發(fā)明所述的步驟5)脫脂過程中，催化氣體為HNO3，脫脂爐的溫度設置為110-130℃，脫脂時間為4-6小時。
作為進一步的方案，本發(fā)明所述的催化氣體通入脫脂爐中的速率為0.01-0.05mL/min。
作為進一步的方案，本發(fā)明所述的步驟6)燒結(jié)的溫度為800-1000℃。
作為進一步的方案，本發(fā)明所述的金屬粉末為鐵合金粉末、不銹鋼粉末、鈦合金粉末、鋁合金粉末、鈦粉末中的一種。
作為進一步的方案，本發(fā)明所述的方法還包括對步驟6)燒結(jié)后的零件再次在HIP燒結(jié)爐中進行完全致密化處理。
相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于：
本發(fā)明所述的利用塑料3D打印機打印制造金屬/合金零件的方法中，對金屬粉末的形貌、含氧量以及粒徑?jīng)]有特殊的要求，擴大量金屬粉末原料的來源，降低了3D打印對原料的技術(shù)要求；
本發(fā)明所述的利用3D打印制造金屬/合金零件的方法中，所用3D打印機是普通塑料打印機；
3.本發(fā)明所述的利用塑料3D打印機打印制造金屬/合金零件的方法中通過實現(xiàn)對金屬粉末的處理，提高了原材料的利用率，大大降低了對設備的要求，節(jié)約了制造成本；
4.本發(fā)明所述的利用塑料3D打印機打印制造金屬/合金零件的方法可以涉及到醫(yī)療、民用甚至軍事和航空領域。
下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細說明。
具體實施方式
本發(fā)明所述的利用塑料3D打印機打印制造金屬/合金零件的方法，該方法包括以下步驟：
1)原材料前處理：將購買的金屬粉末烘干去濕；
2)原材料包覆：經(jīng)過步驟1)處理后的金屬粉末與POM、PE、PP以及抗氧化劑加入到混煉機中進行密煉，完全混合均勻后得到膏狀物；
3)粉末還原：將步驟2)得到的膏狀物經(jīng)過冷卻和干燥后還原成粉末狀，過篩，得到表面包覆高分子材料的粉末顆粒；
4)3D打印：將步驟3)得到的粉末顆粒作為3D打印的原料在塑料3D打印機中打印出預設形狀的零件，得到零件半成品；
5)脫脂：將上述零件半成品放進脫脂爐中脫除POM；
6)燒結(jié)：經(jīng)過步驟6)脫除POM后的零件半成品轉(zhuǎn)入到真空爐中燒結(jié)，得到成品。
作為進一步的方案，本發(fā)明的步驟2)中所述金屬粉末與POM、PE、PP以及抗氧化劑的用量以質(zhì)量百分數(shù)計分別為：
POM 3％-10％；
PE 4％-6％；
PP 2％-4％；
抗氧化劑 0.1％-1％；
金屬粉末余量。
在本發(fā)明中，“POM”是指聚甲醛，其在上述方案中用作粘合助劑，在對金屬粉末的密煉包覆過程中起到流動和粘合的作用?！癙E”即聚乙烯，在上述方案中，PE起到燒結(jié)前零件半成品的保型作用；作為優(yōu)選的，在本發(fā)明中，聚乙烯采用高密度聚乙烯?！癙P”即聚丙烯，起到燒結(jié)前零件半成品的保型作用。
作為進一步的方案，本發(fā)明的步驟2)中采用混煉機的密煉的溫度設置為160-200℃，密煉時間為1.5-2.5小時，密煉完成后立即降至室溫。經(jīng)過密煉后的金屬粉末表面包覆了一層高分子材料，在3D打印過程中，這種包覆了高分子材料的金屬粉末顆粒的加工性能得到了改善，可以打印出任意形狀的物件，相對于傳統(tǒng)的3D打印，對3D打印機的要求大大降低，用普通打印塑料粉末的3D打印機就可以實現(xiàn)
在本發(fā)明的脫脂過程中，催化脫脂的原理是利用一種催化劑把有機載體分子解聚為較小的可揮發(fā)的分子，這些分子比其它脫脂過程中的有機載體分子有較高的蒸氣壓，能迅速地擴散出坯體。因此，脫脂率受脫脂溫度的影響，由于聚甲醛在酸性作用下是由末端開始進行逐步分解，隨著反應溫度的增加，但是溫度過高，使催化脫脂反應過快，坯體內(nèi)產(chǎn)生有機小分子氣壓過大會造成坯體出現(xiàn)脫脂缺陷；另外溫度過高，會造成坯體軟化變形；而催化脫脂溫度太低，脫脂速率也太小這種解聚反應的速度增加，導致脫脂速率增大。此外脫脂率受脫脂催化時間的影響，具體表現(xiàn)為隨著催化脫脂時間增加，注射成形坯脫脂量增加，而且隨著時間增加，脫脂量增加趨勢變平穩(wěn)。因此，作為優(yōu)選的方案，本發(fā)明所述的步驟5)脫脂過程中，催化氣體為HNO3，脫脂爐的溫度設置為110-130℃，脫脂時間為4-6小時。
在本發(fā)明的脫脂過程中，HNO3氣體流量增加使得催化氣體中HNO3濃度增加，從而促進POM的解聚反應，但是HNO3氣體的流量也不能太大，如果HNO3濃度太大催化氣體具有一定的腐蝕性，會對粉末和設備造成危害。因此，作為優(yōu)選的方案，本發(fā)明所述的催化氣體通入脫脂爐中的速率為0.01-0.05mL/min。
作為進一步的方案，本發(fā)明所述的步驟6)燒結(jié)的溫度為800-1000℃。
作為進一步的方案，本發(fā)明所述的金屬粉末為鐵合金粉末、不銹鋼粉末、鈦合金粉末、鋁合金粉末、鈦粉末等中的一種。由于在3D打印前對金屬粉末進行一系列的處理，因此在本發(fā)明中并不需對金屬粉末的形貌、含氧量以及粒徑做特殊的要求。
作為進一步的方案，本發(fā)明所述的方法還包括對步驟6)燒結(jié)后的零件再次在HIP燒結(jié)爐中進行完全致密化處理。具體的，致密化處過程中，燒結(jié)爐的溫度為1200-1360℃。經(jīng)過完全致密化處理后的零部件可以用航空件或者軍工件。
以下是本發(fā)明具體的實施例，在下述實施案例中所采用的原料、設備等均可以通過商業(yè)渠道獲得。
實施例1
一種利用塑料3D打印機打印制造金屬/合金零件的方法，該方法包括以下步驟：
1)原材料前處理：將購買的鋁合金粉末烘干去濕；
2)原材料包覆：經(jīng)過步驟1)處理后的金屬粉末與POM、PE、PP以及抗氧化劑加入到160℃的混煉機中進行密煉2.5小時，完全混合均勻后得到膏狀物；其中所述金屬粉末與POM、PE、PP以及抗氧化劑的用量以質(zhì)量百分數(shù)計分別為：
POM 3％；
PE 6％；
PP 4％；
抗氧化劑 0.1％；
金屬粉末余量；
3)粉末還原：將步驟2)得到的膏狀物經(jīng)過冷卻和干燥后還原成粉末狀，過篩，得到表面包覆高分子材料的粉末顆粒；
4)3D打印：將步驟3)得到的粉末顆粒作為3D打印的原料在塑料3D打印機中打印出預設形狀的零件，得到零件半成品；
5)脫脂：將上述零件半成品放進脫脂爐中脫除POM；脫脂過程中催化氣體為HNO3，HNO3氣體通入脫脂乳中的速率為0.01mL/min，脫脂爐的溫度設置為110℃，脫脂時間為6小時；
6)燒結(jié)：經(jīng)過步驟6)脫除POM后的零件半成品轉(zhuǎn)入到真空爐中在800℃溫度下燒結(jié)，得到成品。
在該實施例中，脫脂率為87.3％。
實施例2
一種利用塑料3D打印機打印制造金屬/合金零件的方法，該方法包括以下步驟：
1)原材料前處理：將購買的鐵合金末烘干去濕；
2)原材料包覆：經(jīng)過步驟1)處理后的金屬粉末與POM、PE、PP以及抗氧化劑加入到180℃的混煉機中進行密煉2小時，完全混合均勻后得到膏狀物；其中所述金屬粉末與POM、PE、PP以及抗氧化劑的用量以質(zhì)量百分數(shù)計分別為：
POM 5％；
PE 5％；
PP 3％；
抗氧化劑 0.5％；
金屬粉末余量；
3)粉末還原：將步驟2)得到的膏狀物經(jīng)過冷卻和干燥后還原成粉末狀，過篩，得到表面包覆高分子材料的粉末顆粒；
4)3D打?。簩⒉襟E3)得到的粉末顆粒作為3D打印的原料在塑料3D打印機中打印出預設形狀的零件，得到零件半成品；
5)脫脂：將上述零件半成品放進脫脂爐中脫除POM；脫脂過程中催化氣體為HNO3，HNO3氣體通入脫脂乳中的速率為0.03mL/min，脫脂爐的溫度設置為120℃，脫脂時間為5小時；
6)燒結(jié)：經(jīng)過步驟6)脫除POM后的零件半成品轉(zhuǎn)入到真空爐中在900℃溫度下燒結(jié)，得到成品。
在該實施例中，脫脂率為88.1％。
實施例3
一種利用塑料3D打印機打印制造金屬/合金零件的方法，該方法包括以下步驟：
1)原材料前處理：將購買的不銹鋼粉末烘干去濕；
2)原材料包覆：經(jīng)過步驟1)處理后的金屬粉末與POM、PE、PP以及抗氧化劑加入到200℃的混煉機中進行密煉1.5小時，完全混合均勻后得到膏狀物；其中所述金屬粉末與POM、PE、PP以及抗氧化劑的用量以質(zhì)量百分數(shù)計分別為：
POM 10％；
PE 4％；
PP 2％；
抗氧化劑 1％；
金屬粉末余量；
3)粉末還原：將步驟2)得到的膏狀物經(jīng)過冷卻和干燥后還原成粉末狀，過篩，得到表面包覆高分子材料的粉末顆粒；
4)3D打印：將步驟3)得到的粉末顆粒作為3D打印的原料在塑料3D打印機中打印出預設形狀的零件，得到零件半成品；
5)脫脂：將上述零件半成品放進脫脂爐中脫除POM；脫脂過程中催化氣體為HNO3，HNO3氣體通入脫脂乳中的速率為0.05mL/min，脫脂爐的溫度設置為130℃，脫脂時間為4小時；
6)燒結(jié)：經(jīng)過步驟6)脫除POM后的零件半成品轉(zhuǎn)入到真空爐中在1000℃溫度下燒結(jié)，得到成品。
在該實施例中，脫脂率為88.6％。
實施例4
一種利用塑料3D打印機打印制造金屬/合金零件的方法，該方法包括以下步驟：
1)原材料前處理：將購買的鈦合金粉末烘干去濕；
2)原材料包覆：經(jīng)過步驟1)處理后的金屬粉末與POM、PE、PP以及抗氧化劑加入到180℃的混煉機中進行密煉2小時，完全混合均勻后得到膏狀物；其中所述金屬粉末與POM、PE、PP以及抗氧化劑的用量以質(zhì)量百分數(shù)計分別為：
POM 5％；
PE 5％；
PP 3％；
抗氧化劑 0.5％；
金屬粉末余量；
3)粉末還原：將步驟2)得到的膏狀物經(jīng)過冷卻和干燥后還原成粉末狀，過篩，得到表面包覆高分子材料的粉末顆粒；
4)3D打?。簩⒉襟E3)得到的粉末顆粒作為3D打印的原料在塑料3D打印機中打印出預設形狀的零件，得到零件半成品；
5)脫脂：將上述零件半成品放進脫脂爐中脫除POM；脫脂過程中催化氣體為HNO3，HNO3氣體通入脫脂乳中的速率為0.03mL/min，脫脂爐的溫度設置為120℃，脫脂時間為5小時；
6)燒結(jié)：經(jīng)過步驟6)脫除POM后的零件半成品轉(zhuǎn)入到真空爐中在900℃溫度下燒結(jié)，得到成品；
7)完全致密化處理：將上述成品再次轉(zhuǎn)入到真空爐在1300℃溫度下燒結(jié)。
在該實施例中，脫脂率為89.1％。
上述實施方式僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，不能以此來限定本發(fā)明保護的范圍，本領域的技術(shù)人員在本發(fā)明的基礎上所做的任何非實質(zhì)性的變化及替換均屬于本發(fā)明所要求保護的范圍。