TW201900427A - 一種３ｄ列印用餵料及其製備方法及應用 - Google Patents
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Abstract
本發明關於一種3D列印用餵料及其製備方法及應用，前述餵料為高分子黏結劑包裹的金屬粉體，呈線狀。前述線狀餵料經由3D印表機列印出預設形狀的生坯後，依次經過脫脂、燒結，可得到結構複雜、精度高的金屬產品。與先前技術相比，本發明將前述線狀餵料應用到3D列印中，可避免對原料的浪費；可藉由選擇餵料的不同線徑以及控制加熱溫度來控制產品表面的精度，提高產品的品質；同時可利用簡單的熱電偶進行熔融處理，不須複雜且昂貴的雷射加熱設備，降低生產成本。本發明將粉末注射成型技術及3D列印技術相結合，可快速列印製作複雜的產品，縮短開發流程，實現量產普及化。具有良好的經濟效益及廣闊的應用前景。
Description
本發明係關於金屬料體製備領域，具體係關於一種3D列印用餵料及其製備方法及應用。
3D列印(3D printing)技術又稱三維列印技術，係一種以數位元模型檔為基礎，運用粉末狀金屬或塑膠等可黏合材料，藉由逐層列印的方式來構造物體的技術。它無需機械加工或任何模具，就能直接由電腦圖形資料中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產品的研製週期，提高生產率及降低生產成本。例如燈罩、身體器官、珠寶、根據球員腳型訂製的足球靴、賽車零件、固態電池以及為個人訂製的手機、小提琴等產品都可用該技術製造出來。
3D列印技術實際上係一系列快速原型成型技術的統稱，其基本原理都係疊層製造，由快速原型機在X-Y平面內藉由掃描形式形成工件的截面形狀，而在Z座標間斷地作層面厚度的位移，最終形成三維製件。目前市場上的快速成型技術分為3DP技術、SLA(全名Service-Level Agreement)立體光固化技術、SLS(全名Selective Laser Sintering)選擇性雷射燒結技術、DMLS(全名Direct Metal Laser-Sintering)直接金屬雷射燒結技術及FDM(全名Fused Deposition Modeling)熔融層積成型技術等。
3D列印技術最早應用在塑膠材料上。FDM熔融層積成型技術係目前主要方式，其係將熱熔性材料加熱融化，同時三維噴頭在電腦的控制下，因應截面輪廓資訊，將材料選擇性地塗敷在工作臺上，快速冷卻後形成一層截面。一層成型完成後，機器工作臺下降一個高度(即分層厚度)繼續成型，直至形成整個實體造型。其成型材料種類多，成型件精度較高、價格便宜，主要適用於成型小塑膠件。然而這種方式產生的塑膠產品強度低並不能滿足客戶的要求。為了增加產品的強度，改善產品的性能，DMLS技術採用合金材料為原料，利用金屬雷射燒結將原料熔融後進行3D列印。其具有高精度、高強度、速度快、成品表面光滑等特點，一般應用於航空航太以及工業用配件製造行業，可用於高階模具設計等。但雷射燒結設備複雜，製備過程耗能高，綜合考慮產品解析度、設備費用、產品外觀要求及量產能力等因素，目前其無法大量普及應用。
粉末注射成型技術(PIM)具有精度高、組織均勻、性能優異以及生產成本低等特點，近年來得到快速發展。在燒結過程中，產品有10-30%的收縮特性，所以最終產品的表面粗糙度及精度較DMLS技術佳。因此如果可將粉末注射成型技術及3D列印結合，則能有效整合兩種技術的優點，提高產品的品質，降低生產成本，同時實現產品的普及。
CN106270510A中公開一種利用塑膠3D印表機列印製造金屬/合金零件的方法，該方法包含燒結原材料前處理、原材料包覆、粉末還原、3D列印、脫脂、燒結等步驟。CN106426916A中公開一種3D列印方法，包含：混合粉末狀待加工材料及粉末狀尼龍材料；採用選擇性雷射燒結技術熔化前述尼龍材料以黏結前述待加工材料形成生坯；加熱前述生 坯進行熱脫脂以使前述尼龍材料揮發；加熱前述生坯至前述待加工材料的燒結溫度以對前述生坯進行燒結；將前述生坯的環境溫度降至室溫以得到緻密零件。上述兩種方法雖然都將粉末注塑成型及3D列印技術相結合，但是其餵料模式均為粉狀或顆粒狀，主要存在下述缺點：使用粉狀或顆粒狀的原料進行3D列印時，必須將原料由下至上逐層在全區鋪展塗布，大大增加餵料量，造成材料的浪費。在熔融過程中由於熱區過大，材料之間易熔融交聯，使用雷射加熱熔解結合時，因高分子材料的熔點低而易造成周邊材料也被加熱熔融，進而影響其產品精度及外觀。同時粉體狀或顆粒狀餵料的形態不規則，因此無法進行有效均勻的塗布，易造成產品表面厚度不均。
【專利文獻1】中國專利CN106270510A
【專利文獻2】中國專利CN106426916A
針對先前技術中存在的不足，本發明提供一種3D列印用餵料，前述餵料為線狀，進而避免現有粉末注射成型技術與3D列印技術結合時，因餵料形態而導致的原料浪費、設備複雜昂貴、精度不足等問題。
為達此發明目的，本發明採用以下技術手段：
第一方面，本發明提供一種3D列印用餵料，前述餵料為高分子黏結劑包裹的金屬粉體，呈線狀。
本發明將粉末注射成型技術與3D列印技術相結合，得到一種線狀的3D列印用餵料。將前述餵料應用到3D列印時，可以列印件每層所需的用料量為基準進行供料，節省原料；同時可藉由選擇餵料的不同線徑以及控制加熱溫度來控制產品表面的精度；且本發明製備的餵料採用普通的熱電偶加熱即可熔融，不須昂貴的雷射設備。
如本發明，按體積百分含量計，前述餵料由下述成分組成：15-75%金屬粉體；25-85%高分子黏結劑。
按體積百分含量計，前述餵料中金屬粉體的含量為15-75%，例如可為15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%或75%，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉。
按體積百分含量計，前述餵料中高分子黏結劑的含量為25-85%，例如可係25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%或85%，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉。
按體積百分含量計，前述金屬粉體及高分子黏結劑的含量為100%。
如本發明，前述線狀餵料的直徑為0.1-5mm，例如可為 0.1mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm或5mm，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉。
本發明中前述線狀餵料的直徑理想為1-3mm。
如本發明，前述金屬粉體為鈦及/或鈦合金粉體、銅及/或銅合金粉體、鋁及/或鋁合金粉體、鐵及/或鐵合金粉體、釹及/或釹合金粉體中的任意一種，理想為鈦及/或鈦合金粉體。
如本發明，前述高分子黏結劑為塑基黏結劑或蠟基黏結劑。前述塑基黏結劑及蠟基黏結劑均為金屬注射成型工藝中常用的黏結劑，本發明對其具體的組分不做特殊限定；理想地，前述塑基黏結劑的主填充劑為聚甲醛(POM)，前述蠟基黏結劑的主填充劑為石蠟(PW)。
第二方面，本發明提供一種如第一方面所記載之3D列印用餵料的製備方法，前述方法包含下述步驟：(1)將配方量的金屬粉體及高分子黏結劑進行混煉，使前述高分子黏結劑包裹在金屬粉體的表面；(2)將步驟(1)得到的經高分子黏結劑包裹的金屬粉體擠出成型為線狀，冷卻後得到前述3D列印用餵料。
如本發明，步驟(1)所記載之混煉的溫度為165-200℃，例如可為165℃、170℃、175℃、180℃、185℃、190℃、195℃或200℃，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉。
本發明步驟(1)所記載之混煉的溫度理想為175-190℃，進 一步理想為185℃。
如本發明，步驟(1)所記載之混煉的時間為0.5-2小時，例如可為0.5小時、0.8小時、1小時、1.2小時、1.5小時、1.8小時或2小時，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉。
本發明步驟(1)所記載之混煉的時間理想為1小時。
本發明選擇將製得的線狀餵料捲繞為盤狀，有利於進行連續操作生產。
第三方面、本發明提供如第一方面所記載之餵料的應用，前述餵料應用於3D列印中。
理想地，前述應用包含下述步驟：(1)將前述線狀的餵料作為原料，經由3D印表機列印出預設形狀的生坯；(2)將步驟(1)得到的生坯進行脫脂，得到褐坯；(3)將步驟(3)得到的褐坯進行燒結，得到燒結件；(4)任意地，對步驟(3)得到的燒結件進行後加工。
如本發明，步驟(2)中所記載之褐坯中高分子黏結劑脫除量為總量的8-12%，例如可為8%、8.5%、9%、9.5%、10%、10.5%、11%、11.5%或12%，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉。
如本發明，步驟(2)所記載之脫脂的方法為熱脫脂、水脫脂、酸脫脂或有機溶劑脫脂中的任意一種。
如本發明，前述酸脫脂的介質為硝酸或草酸。
如本發明，步驟(3)所記載之燒結的溫度為1200-1450℃，例如可為1200℃、1210℃、1220℃、1230℃、1240℃、1250℃、1260℃、1270℃、1280℃、1290℃、1300℃、1360℃、1400℃或1450℃，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉。
本發明步驟(3)所記載之燒結的溫度理想為1240-1360℃。
如本發明，步驟(3)所記載之燒結的時間為2-3小時，例如可為2小時、2.1小時、2.2小時、2.3小時、2.4小時、2.5小時、2.6小時、2.7小時、2.8小時、2.9小時或3小時，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉。
與先前技術相比，本發明至少具有如下功效：
(1)避免對原料的浪費，可藉由選擇餵料的不同線徑以及控制加熱溫度來控制產品表面的精度，提高產品的品質。
(2)可藉由簡單的熱電偶進行加熔融處理，不須複雜且昂貴的雷射加熱設備，減少耗能，降低生產成本。
(3)將粉末注射成型技術及3D列印技術相結合，可快速列印製作複雜的產品，縮短開發流程，實現量產普及化。
【圖1】為本發明一種具體實施方式提供的餵料製備及應用的工藝流程圖。
以下對本發明進一步詳細說明。但下述的實例僅係本發明的簡易例子，並不代表或限制本發明的權利保護範圍，本發明的保護範圍以申請專利範圍為準。
以下結合圖式並藉由具體實施方式來進一步說明本發明的技術手段。
如圖1所示，本發明提供一種具體實施方式提供的餵料製備及應用的工藝流程可為：將金屬粉體及高分子黏結劑混煉製備線狀的餵料，將得到的餵料利用3D列印成型得到生坯，將所得生胚依次經過脫脂、燒結及後加工，得到成品件。
為更佳地說明本發明，便於理解本發明的技術手段，本發明的典型但非限制性的實施例如下：
實施例1
一種3D列印用餵料的製備方法如下所示：(1)將60vol%鈦金屬粉與40vol%的高分子黏結劑混合，前述高分子黏結劑包含：聚甲醛85wt%、聚丙烯14wt%、硬脂酸1wt%；將前述原料加入密煉機中，在170℃下混煉1小時； (2)利用擠出機將步驟(1)混煉後得到的材料擠出為直徑為2mm的線狀材料，冷卻後得到前述3D列印用餵料，將前述線狀餵料捲繞為盤狀備用。
本實施例得到3D列印用餵料的應用包含下述步驟：(1)將前述線狀餵料作為原料，經由3D印表機列印出預設形狀的生坯；(2)將步驟(1)得到的生坯在110℃下，使用硝酸為介質脫脂4小時，脫除10%的高分子黏結劑後得到褐坯；(3)將步驟(2)得到的褐坯置於真空爐中，在1250℃下燒結3小時，冷卻後得到鈦基產品。
實施例2
一種3D列印用餵料的製備方法如下所示：(1)將50vol%鈦合金粉與50vol%的高分子黏結劑混合，前述高分子黏結劑包含：石蠟80wt%、聚乙烯19.5wt%、硬脂酸0.5wt%；將前述原料加入密煉機中，在200℃下混煉0.5小時；(2)利用擠出機將步驟(1)混煉後得到的材料擠出為直徑為3mm的線狀材料，冷卻後得到前述3D列印用餵料，將前述線狀餵料捲繞為盤狀備用。
本實施例得到3D列印用餵料的應用包含下述步驟：(1)將前述線狀餵料作為原料，經由3D印表機列印出預設形狀的生坯；(2)將步驟(1)得到的生坯在80℃下，使用正庚烷為介質浸 泡6小時，脫除12%的高分子黏結劑後得到褐坯；(3)將步驟(2)得到的褐坯置於真空爐中，在1260℃下燒結2.5小時，冷卻後得到鈦合金基產品；(4)依據客戶的要求對步驟(3)得到的鈦合金基產品進行後加工。
實施例3
一種3D列印用餵料的製備方法如下所示：(1)將70vol%銅金屬粉與30vol%的高分子黏結劑混合，前述高分子黏結劑包含：石蠟84wt%、聚丙烯14wt%、硬脂酸2wt%；將前述原料加入密煉機中，在165℃下混煉2小時；(2)利用擠出機將步驟(1)混煉後得到的材料擠出為直徑為5mm的線狀材料，冷卻後得到前述3D列印用餵料，將前述線狀餵料捲繞為盤狀備用。
本實施例得到3D列印用餵料的應用包含下述步驟：(1)將前述線狀餵料作為原料，經由3D印表機列印出預設形狀的生坯；(2)將步驟(1)得到的生坯在60℃下，使用正庚烷為介質浸泡8小時，脫除11%的高分子黏結劑後得到褐坯；(3)將步驟(2)得到的褐坯置於真空爐中，在1030℃下燒結2小時，冷卻後得到銅基產品。
實施例4
一種3D列印用餵料的製備方法如下所示： (1)將50vol%鈦金屬粉與50vol%的高分子黏結劑混合，前述高分子黏結劑包含：聚甲醛70wt%、聚丙烯27.5wt%、硬脂酸2.5wt%；將前述原料加入密煉機中，在185℃下混煉1小時；(2)利用擠出機將步驟(1)混煉後得到的材料擠出為直徑為1.5mm的線狀材料，冷卻後得到前述3D列印用餵料，將前述線狀餵料捲繞為盤狀備用。
本實施例得到3D列印用餵料的應用包含下述步驟：(1)將前述線狀餵料作為原料，經由3D印表機列印出預設形狀的生坯；(2)將步驟(1)得到的生坯在120℃下，使用硝酸為介質浸泡3小時，脫除8%的高分子黏結劑後得到褐坯；(3)將步驟(2)得到的褐坯置於真空爐中，在1250℃下燒結3小時，冷卻後得到鈦基產品。
實施例5
一種3D列印用餵料的製備方法如下所示：(1)將60vol%不銹鋼金屬粉與40vol%的高分子黏結劑混合，前述高分子黏結劑包含：聚甲醛70wt%、聚丙烯28wt%、硬脂酸2.0wt%；將前述原料加入密煉機中，在185℃下混煉1小時；(2)利用擠出機將步驟(1)混煉後得到的材料擠出為直徑為1.75mm的線狀材料，冷卻後得到前述3D列印用餵料，將前述線狀餵料捲繞為盤狀備用。
本實施例得到3D列印用餵料的應用包含下述步驟： (1)將前述線狀餵料作為原料，經由3D印表機列印出預設形狀的生坯；(2)將步驟(1)得到的生坯在120℃下，使用硝酸為介質浸泡3小時，脫除8%的高分子黏結劑後得到褐坯；(3)將步驟(2)得到的褐坯置於真空爐中，在1360℃下燒結3小時，冷卻後得到不銹鋼金屬基產品。
以上詳細描述本發明的理想實施方式，但是，本發明並不限於上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思範圍內，可對本發明的技術手段進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬於本發明的保護範圍。
另外必須說明，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術特徵，在不矛盾的情況下，可藉由任何合適的方式進行組合，為了避免不必要的重複，本發明對各種可能的組合方式不再另行說明。
此外，本發明的各種不同的實施方式之間也可進行任意組合，只要其不違背本發明的思想，其同樣應當視為本發明所公開的內容。
Claims (21)
- 一種3D列印用餵料，其特徵係；高分子黏結劑包裹的金屬粉體，呈線狀。
- 如申請專利範圍第1項所記載之餵料，其中，按體積百分含量計，前述餵料由下述組分組成：15-75%金屬粉體；25-85%高分子黏結劑。
- 如申請專利範圍第2項所記載之餵料，其中，前述線狀餵料的直徑為0.1-5mm。
- 如申請專利範圍第3項所記載之餵料，其中，前述線狀餵料的直徑為1-3mm。
- 如申請專利範圍第1至4項中之任一項所記載之餵料，其中，前述金屬粉體為鈦及/或鈦合金粉體、銅及/或銅合金粉體、鋁及/或鋁合金粉體、鐵及/或鐵合金粉體、釹及/或釹合金粉體中的任意一種。
- 如申請專利範圍第5項所記載之餵料，其中，前述高分子黏結劑為塑基黏結劑或蠟基黏結劑。
- 如申請專利範圍第1至6項中之任一項所記載之3D列印用餵料的製備方法，其中，前述方法包含下述步驟：(1)將配方量的金屬粉體及高分子黏結劑進行混煉，使前述高分子黏結劑包裹在金屬粉體的表面；(2)將步驟(1)得到的經高分子黏結劑包裹的金屬粉體擠出成型為線狀，冷卻後得到前述3D列印用餵料。
- 如申請專利範圍第7項所記載之方法，其中，步驟(1)所記載之混煉的溫 度為165-200℃。
- 如申請專利範圍第8項所記載之方法，其中，步驟(1)所記載之混煉的溫度為175-190℃。
- 如申請專利範圍第9項所記載之方法，其中，步驟(1)所記載之混煉的溫度為185℃。
- 如申請專利範圍第8項所記載之方法，其中，步驟(1)所記載之混煉的時間為0.5-2小時。
- 如申請專利範圍第8項所記載之方法，其中，步驟(1)所記載之混煉的時間為1小時。
- 如申請專利範圍第7至12項中之任一項所記載之方法，其中，將步驟(2)得到的線狀餵料捲繞為盤狀備用。
- 如申請專利範圍第1至6項中之任一項所記載之餵料的應用，其中，前述餵料應用於3D列印中。
- 如申請專利範圍第14項所記載之應用，其中，前述應用包含下述步驟：(1)將前述線狀的餵料作為原料，經由3D印表機列印出預設形狀的生坯；(2)將步驟(1)得到的生坯進行脫脂，得到褐坯；(3)將步驟(3)得到的褐坯進行燒結，得到燒結件；(4)任意地，對步驟(3)得到的燒結件進行後加工。
- 如申請專利範圍第15項所記載之應用，其中，步驟(2)中所記載之褐坯中高分子黏結劑脫除量為總量的8-12%。
- 如申請專利範圍第16項所記載之應用，其中，步驟(2)所記載之脫脂的 方法為熱脫脂、水脫脂、酸脫脂或有機溶劑脫脂中的任意一種。
- 如申請專利範圍第16項所記載之應用，其中，前述酸脫脂的介質為硝酸或草酸。
- 如申請專利範圍第15至18項中所記載之應用，其中，步驟(3)所記載之燒結的溫度為1200-1450℃。
- 如申請專利範圍第19項所記載之應用，其中，步驟(3)所記載之燒結的溫度為1240-1360℃。
- 如申請專利範圍第19項所記載之應用，其中，步驟(3)所記載之燒結的時間為2-3小時。
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