一种用于增材制造的包胶粉末及其制备方法与用途与流程

本发明属于增材制造，具体涉及一种用于增材制造的包胶粉末及其制备方法与用途。

背景技术：

1、增材制造（additive manufacturing，am）利用计算机控制3d数据逐层堆积材料，是基于离散-堆积原理的高效净成形技术。自21世纪以来，增材制造以其独特的优势为制造业开辟了一个新的先进制造技术，被众多国家视为未来产业发展的新增长点，是工业4.0的核心，是具有深刻变革意义的新型生产方式，将成为引领企业智能制造与创新发展的重要方式，是企业制胜工业4.0时代的重要法宝。以粉末为原料进行增材制造是其中一个重要的方向和分支，从所用能源来说，有的采用高温热源，有的采用低温热源，也有的采用无热源。

2、目前采用高温热源打印的技术，如slm和ebm，都未使用胶水，而且对设备和使用环境要求较高，生产成本高，生产过程的不安全因素较多，零件尺寸容易受限；采用低温热源或无热源的工艺，例如bj，是直接将胶水按设计路径喷射到粉末上，一般几秒钟内就继续铺另一层粉末，再喷射胶水，如此循环往复，由于胶水和粉末的接触时间较短，容易出现生坯强度不高、颗粒间粘接不良、胶水分布不均匀、零件尺寸变化大等问题，良品率不高，生产效率相对低下；并且，目前都很难实现大批量生产。

技术实现思路

1、针对上述现有技术问题，本发明的目的在于提供一种用于增材制造的包胶粉末及其制备方法与用途。用于解决现有技术中对设备要求高，生产过程不安全因素多，生产效率低下，难以批量化、工业化生产的问题。

2、一方面，本发明提供了一种用于增材制造的包胶粉末，所述包胶粉末包括核芯和包覆壳；所述核芯为用于3d打印成型体的材料粉体，所述材料粉体的粒径大于0μm小于等于150μm；所述包覆壳为胶水，所述包覆壳的壳厚大于0μm小于等于10μm；所述包胶粉末的表面致密且无孔洞，所述包胶粉末的流动性小于等于90s/50g。

3、进一步，本发明所述的包胶粉末中，所述材料粉体为金属粉体，所述包胶粉末的流动性小于等于70s/50g。

4、进一步，本发明所述的包胶粉末中，所述材料粉体为陶瓷粉体，所述包覆壳的壳厚小于等于6μm。

5、进一步，本发明所述的包胶粉末中，所述胶水为能够同时溶于水、无机溶剂和有机溶剂的胶水材料。

6、进一步，本发明所述的包胶粉末中，所述胶水为分散剂、稳定剂或润滑剂中至少两种物质的混合物；

7、所述分散剂选择硬脂酸锌或聚苯乙烯中的至少一种，所述稳定剂选择pvb树脂、硬脂酸、油酸、甘油或甘油三酸酯中的至少一种，所述润滑剂选择硬脂酸盐，或酰胺中的至少一种。

8、进一步，本发明所述的包胶粉末中，所述材料粉体的颗粒形貌为球形、近球形或类球形。

9、本发明中，金属粉体的包覆壳的壳厚大于10μm时，或，陶瓷粉体的包覆壳的壳厚大于6μm时，胶水量过多，使得包覆后粉末的流动性变差，脱胶过程变得困难，脱胶时间长，而且打印后零件尺寸变化较大，精度受影响。

10、另一方面，本发明提供了一种用于增材制造的粉末的制备方法，所述粉末为上述任一项所述的包胶粉末，所述制备方法包括以下步骤：

11、s1：称取所述用于3d打印成型体的所述材料粉体，将所述胶水溶于溶剂后得到胶水混合液；根据所述材料粉体需要的所述胶水的量，取需求量的所述胶水混合液；

12、s2：打开自制混料机a的气体保护系统和冷却系统，将称取的所述材料粉体添加到所述自制混料机a中；向所述材料粉体的表面喷射所述胶水混合液，且同时搅拌混合；完成所述胶水混合液的喷射后，继续搅拌10~40分钟；然后，等待所述自制混料机a中的物料温度降低到25℃以下时进行出料，获得被所述胶水包覆均匀的湿态材料粉末；

13、所述搅拌混合的过程中，搅拌速度为1~20rpm、温度为30~60℃；

14、所述胶水混合液中，所述溶剂与所述胶水的混合质量比为999:1~19:1；

15、喷射所述胶水混合液的过程中，喷射的压力为0.2~0.6mpa；

16、当所述材料粉体为金属粉体时，所述胶水的加入量与所述金属粉体的加入量的质量比为1:199~1:33；

17、当所述材料粉体为陶瓷粉体时，所述胶水的加入量与所述陶瓷粉体的加入量的质量比为1:199~1:19；

18、s3：将所述湿态材料粉末在80~130℃的温度下加热烘干，使得所述溶剂脱除，得到包胶粉末初品；

19、s4：将所述包胶粉末初品放入混料机b中，以1~10rpm的速度分散5~10分钟，得到上述任一项所述的包胶粉末。

20、本发明中，上述溶剂可优先选择醇类、苯类、脂类中的一种或多种。上述混料机b的种类不做限制，本领域内所知道的对粉末具有混合和分散功能的混料机都可使用。

21、进一步，本发明所述的制备方法中，所述自制混料机a的结构包括：椭球形的混料仓，所述混料仓的侧壁上设置有与所述喷射系统连通的喷嘴，所述喷嘴设为5~10个，所述喷嘴均匀分布在所述混料仓的侧壁上。

22、本发明的包胶粉末要求包覆层完整，无孔洞、脱落、色差、裂纹等，流动性不超过90s/50g。胶水的添加量与粉末的比表面积、两者的润湿能、期望的包覆层厚度等因素有关。对于相同质量的粉末，粉末比表面积越大、润湿能越小、包覆层越厚，胶水的比例越高。

23、再一方面，本发明提供了一种用于增材制造的包胶粉末的用途，所述包胶粉末用于增材制造，所述增材制造的方法包括如下步骤：取上述任一项所述的包胶粉末，采用铺粉式或同轴送粉式工艺结合热源扫描打印得到成型坯体，将所述成型坯体进行烧结致密化处理，得到所述3d打印成型体产品；

24、所述烧结致密化处理步骤包括：

25、ss1：脱胶过程：在常温下，将所述成型坯体放入烧结设备中，在150~220℃的温度下，将所述包覆壳气化去除，得到脱胶成型生坯；

26、ss2：致密化处理过程：将所述烧结设备继续升温直至烧结温度进行加压烧结，最终得到所述3d打印成型体产品。

27、本发明中，包胶粉末热源不受限制，激光、电子束、电弧、普通电阻加热都适用，加热温度较低，略高于胶水的熔化温度即可，对成型设备的耐热要求不高；可以是铺粉式，也可以是同轴送粉式，还可以两种工艺同时进行，工艺自由度大；也可以多种粉末同时使用；根据所用粉末的特性和活性，在成型时选择真空或惰性气氛保护。

28、所述烧结与致密化技术，选用惰性气体保护气氛、也可常压烧结，先在较低温度下脱除低熔点胶水，然后逐步升温到所需烧结温度进行烧结处理，得到满足致密度要求的产品。

29、进一步，本发明所述的用途中，所述3d打印成型体产品的材料粉体是金属粉体或陶瓷粉体；所述加压烧结的工艺参数包括：烧结压强0.1~10mpa，烧结过程的保护气体为氮气或氩气；烧结温度曲线为：以1~20℃/分钟的升温速率升温至1000~2000℃后，保温时间0.5~3小时，然后以1~30℃/分钟的降温速率降至室温。

30、一般，slm: selective laser melting（选择性激光熔化），是金属材料增材制造中的一种主要技术途径。该技术选用激光作为能量源，按照三维cad 切片模型中规划好的路径在金属粉末床层进行逐层扫描，扫描过的金属粉末通过熔化、凝固从而达到冶金结合的效果，最终获得模型所设计的金属零件。slm技术克服了传统技术制造具有复杂形状的金属零件带来的困扰。它能直接成型出近乎全致密且力学性能良好的金属零件。ebm 的一个主要好处是能够将单独的部件“堆叠”在彼此的顶部。随着机器停机时间和后处理的减少，生产力可以大大提高。bj粘结剂喷射3d打印工艺（binder jetting）主要利用粉末与液体粘合剂结合在一起制成固体部件，因此可以将其视为一种集sls 3d打印原理和材料喷射原理于一体的3d打印工艺。与sls 3d打印工艺一样，其在开始3d打印过程之前，需要将材料装入粉末仓，但bj粘结剂喷射工艺的3d打印过程全程不涉及热量的产生，也就是说粉末不会像sls 3d打印工艺那样被加热。3d打印开始时将单层粉末沉积在构建平台上，3d打印头扫过粉末，选择性地喷射粘合剂液滴，这里可以把粘合剂液滴看做粉末颗粒的胶水，液滴选择性落下后与粉末接触，颗粒融合在一起并形成固体。单层3d打印结束后，3d打印平台下降一层，如此反复，直至目标模型完成。

31、本发明中，采用所述包胶材料粉体，扫描打印温度为略高于胶水挥发温度。而slm或ebm，打印温度一般为所打印材料的烧结温度（如钛合金打印温度约为1000-1600℃，氧化铝打印温度约为1400-2000℃，高的打印温度对设备要求很高，对操作要求很高，对安全要求很高；对于bj打印工艺，虽然打印温度为常温，但是由于胶水与粉末的接触时间短暂（几秒钟），很难充分润湿，充分包覆，造成生坯强度低，成品率不高。

32、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

33、本发明提供的用于增材制造的包胶粉末及其制备方法，采用胶水包覆处理，使得胶水与粉末颗粒有充足的时间相互浸润，并均匀分布在粉末颗粒表面，大大增强了生坯强度，生坯良品率大大提高；在打印铺粉过程中，可采用低功率激光固化成型，对设备组件的要求大大降低，提高了3d打印设备的稳定性和使用寿命，容易实现大批量、工业化生产，进一步降本增效。

34、此外，本发明的用于增材制造的包胶粉末的用途中，包胶粉末热源不受限制，激光、电子束、电弧、普通电阻加热都适用，加热温度较低，略高于胶水的熔化温度即可，对成型设备的耐热要求不高；可以是铺粉式，也可以是同轴送粉式，还可以两种工艺同时进行，工艺自由度大；也可以多种粉末同时使用；根据所用粉末的特性和活性，在成型时选择真空或惰性气氛保护。本发明有效克服了现有技术中的缺点而具有高度产业应用价值。

技术特征：

1.一种用于增材制造的包胶粉末，其特征在于，所述包胶粉末包括核芯和包覆壳；所述核芯为用于3d打印成型体的材料粉体，所述材料粉体的粒径大于0μm小于等于150μm；所述包覆壳为胶水，所述包覆壳的壳厚大于0μm小于等于10μm；所述包胶粉末的表面致密且无孔洞，所述包胶粉末的流动性小于等于90s/50g。

2.根据权利要求1所述的包胶粉末，其特征在于，所述材料粉体为金属粉体，所述包胶粉末的流动性小于等于70s/50g。

3.根据权利要求1所述的包胶粉末，其特征在于，所述材料粉体为陶瓷粉体，所述包覆壳的壳厚小于等于6μm，所述包胶粉末的流动性小于等于90s/50g。

4.根据权利要求2或3任一项所述的包胶粉末，其特征在于，所述胶水为能够同时溶于水、无机溶剂和有机溶剂的胶水材料。

5.根据权利要求4所述的包胶粉末，其特征在于，所述胶水为分散剂、稳定剂或润滑剂中至少两种物质的混合物；

6.根据权利要求5所述的包胶粉末，其特征在于，所述材料粉体的颗粒形貌为球形、近球形或类球形。

7.一种用于增材制造的粉末的制备方法，其特征在于，所述粉末为权利要求1~6任一项所述的包胶粉末，所述制备方法包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述自制混料机a的结构包括：椭球形的混料仓，所述混料仓的侧壁上设置有与所述喷射系统连通的喷嘴，所述喷嘴设为5~10个，所述喷嘴均匀分布在所述混料仓的侧壁上。

9.一种用于增材制造的包胶粉末的用途，其特征在于，所述包胶粉末用于增材制造，所述增材制造的方法包括如下步骤：取权利要求1~6任一项所述的包胶粉末，采用铺粉式或同轴送粉式工艺结合热源扫描打印得到成型坯体，将所述成型坯体进行烧结致密化处理，得到所述3d打印成型体产品；

10.根据权利要求9所述的用途，其特征在于，所述3d打印成型体产品的材料粉体为金属粉体或陶瓷粉体；

技术总结
本发明涉及一种用于增材制造的包胶粉末及其制备方法和用途，包胶粉末包括核芯和包覆壳；核芯为用于3D打印成型体的材料粉体，材料粉体的粒径大于0μm小于等于150μm；包覆壳为胶水，金属粉体的包覆壳厚度大于0μm小于等于10μm，陶瓷粉体的包覆壳厚度大于0μm小于等于6μm；包胶粉末的表面致密且无孔洞；包胶粉末的流动性：金属小于等于70s/50g，陶瓷小于等于90s/50g。本发明的包胶粉末用于增材制造中，增强了生坯强度，提高了生坯良品率；在打印铺粉过程中，可采用低功率激光固化成型，对设备组件的要求大大降低，提高了3D打印设备的稳定性和使用寿命，容易实现大批量、工业化生产。

技术研发人员：肖爽怀,张路生,文雪萍
受保护的技术使用者：上海川禾实业发展有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23