一种在交变磁场中金属陶瓷功能梯度零件的3D打印方法

摘要

本发明公开了一种在交变磁场中金属陶瓷功能梯度零件的3D打印方法，在交变磁场中具有优良导电性的金属材料因磁场的连续变化而在材料内部产生感应电流，基于导电性良好的金属材料与不易导电的陶瓷对交变磁场的不同响应，在打印过程中通过交变磁场控制金属材料定向分布，通过改变交变电流强度和电流频率改变驱动力大小，制备金属陶瓷功能梯度零件，实现了交变磁场3D打印金属陶瓷梯度零件，可在任意空间位置实现材料梯度分布，节省材料和设备成本，适合广泛推广应用。

说明书

技术领域

本发明属于机械制造领域的3D打印技术，特别涉及到一种在交变磁场中 金属陶瓷功能梯度零件的3D打印方法。

背景技术

3D打印是一种以数字模型为驱动源，通过逐层打印的方式来构造物体空 间形态的快速成型技术，近几年随着增材制造向功能零件制造发展，金属增 材制造也达到了极大地发展，现有金属3D打印技术有选择性激光烧结技术 (SLS)，选区激光熔化成形技术(SLM)，激光快速成形技术(LRF)或激光立体成 形技术(LSF)，这几种技术都通过激光进行操作，多数都停留在单材均质加工 方面，无法实现及梯度材料的零件成型，而实际上大多数零件或产品均由多 种材料构成，现有技术无法制备金属与陶瓷梯度零件，而且打印设备及材料 昂贵，打印工艺方法复杂，成型速度低。

发明内容

本发明的目的就是针对现有金属3D打印技术，只能制备单材料金属零 件，无法制备金属间或金属陶瓷梯度零件，而提供一种运用交变磁场作用实 现金属陶瓷功能梯度零件的3D打印方法。

一种在交变磁场中金属陶瓷功能梯度零件的3D打印方法，其工艺原理 是运用熔融沉积成型工艺，将金属陶瓷粉末与热熔性粘结剂混合材料沉积成 型，其核心技术是在挤出材料未凝固前，运用电磁驱动力使材料中磁性粒子 发生运动，从而改变材料成分分布，最终制备出梯度材料。

本发明之一种在交变磁场中金属陶瓷功能梯度零件的3D打印方法，该方 法的步骤如下：

一：混合浆料的配制，将金属陶瓷粉末与高分子粘结剂均匀混合后加热， 金属浆料在160～200℃时熔化，在室温情况下会快速固化；

所述混合浆料的组成成分及质量百分比如下：

金属陶瓷粉末56-65％，高分子粘结剂35-44％；

金属陶瓷粉末的组成成分及质量百分比如下：

金属粉末1-40％，陶瓷粉末60-99％；

所述金属粉末：1-90μm，中值粒径为40μm；

所述金属粉末材质为Fe或Al或Ag或Mg或Zn或Cu；

所述陶瓷粉末：1-90μm，中值粒径为40μm；

所述陶瓷粉末材质为Al2O3、SiC、SiO2、ZrO2中的一种或其中几种混 合粉末颗粒；

高分子粘结剂的组成成分及质量百分比如下：

石蜡65-70％，乙烯-醋酸乙烯共聚物7-12％，聚丙烯18-23％，硬脂酸1-5％。

二：数据建模处理，利用三维软件建立模型，然后进行切片处理，层片 的厚度为0.06～0.24mm，建立零件的三维数据模型，根据所需功能零件设置相 应的填充路线；

三：交变磁场下熔融沉积成型，利用熔融沉积成型工艺进行打印成型， 根据打印轨迹在需要的位置设置相应的交变磁场，可旋转鸭嘴形打印挤出头 的温度为175℃，速度为14mm/s，电流的强度0.5A-5A，电流频率 100-10000HZ，计算机控制本发明装置，混合浆料由材料供应打印装置送至可 旋转鸭嘴形打印挤出头，并在可旋转鸭嘴形打印挤出头中加热至熔融状态， 然后选择性地涂覆在工作平台上，快速冷却后形成加工工件截面轮廓，当成 型完成后，工作平台下降一截面层的高度，可旋转鸭嘴形打印挤出头再进行 下一层的打印，如此循环，最终形成产品，打印过程中，可旋转鸭嘴形打印 挤出头在一定温度下将具有流动性的混合浆料按照计算机设定的轨迹和速度 挤出，熔道的金属粉末材料在磁场的作用下迅速移动，在熔道内组分连续变 化，改变交变电流强度和电流频率改变驱动力大小，在任意空间位置梯度参 数可控，且通过改变可旋转鸭嘴形打印挤出头的旋转角度，得到各种壁厚的 坯体；

四：将坯体内的高分子粘结剂进行脱除处理，首先是溶剂脱脂，将坯体 放入三氯乙烯溶液中，溶液的温度为30-50℃，脱脂8-12h，干燥后，然后将 坯体埋入三氧化二铝粉末中，再整体放入真空气氛炉内进行热处理以及预烧 结，温度上升速度为1～3℃/min，温度为500-700℃，时间为3-4h；

五：烧结，将预烧结坯体放在真空气氛炉内继续加温，升温速度为4-6℃ /min，最终温度和保温时间与烧结的金属材料的熔点有关，烧结完成后，得到 所需的梯度金属零件。

本发明之一种在交变磁场中金属陶瓷功能梯度零件的3D打印装置：是由 机床床身、材料供应打印装置、数字化交变磁场发生器和工作平台组成，工 作平台固定设置在地面上，材料供应打印装置设置在机床床身上，数字化交 变磁场发生器设置在工作平台与机床床身之间。

本发明的工作原理：

在交变磁场中具有优良导电性的金属材料因磁场的连续变化而在材料内 部产生感应电流，根据楞次定律可知，此种感应电流所产生的感应磁场阻碍 原有磁场磁通的变化。因此，感生磁场与交变磁场会产生力会产生作用力， 力F的大小为：F＝V×M×gradH其中，V是颗粒体积，M为颗粒感生磁化 强度，gradH为磁场梯度，磁化强度M与输入电流强度成正比；磁场梯度与 颗粒所处的位置有关，线圈内部，磁场分布均匀，梯度为零，线圈端部，磁 场梯度最大。

本发明的有益效果：

本发明基于导电性良好的金属材料与不易导电的陶瓷材料对交变磁场 的不同响应，在打印过程中通过交变磁场控制金属材料定向分布，通过改变 交变电流强度和电流频率改变驱动力大小，制备金属陶瓷功能梯度零件，实 现了交变磁场3D打印金属陶瓷梯度零件，可在任意空间位置实现材料梯度 分布。

附图说明

图1是本发明之3D打印装置结构示意图。

图2是本发明可旋转鸭嘴形打印挤出头的主视图。

图3是本发明可旋转鸭嘴形打印挤出头的左视图。

图4是本发明可旋转鸭嘴形打印挤出头的俯视图。

图5是本发明工作时打印的零件截面打印状态示意图。

图6是本发明工作时打印的零件截面打印状态示意图。

图7是本发明工作时打印的零件截面打印状态示意图。

具体实施方式

请参阅图1、图5、图6和图7所示，本发明之一种在交变磁场中金属陶 瓷功能梯度零件的3D打印方法，该方法的步骤如下：

一：混合浆料的配制，将金属陶瓷粉末与高分子粘结剂均匀混合后加热， 金属浆料在160～200℃时熔化，在室温情况下会快速固化；

所述混合浆料的组成成分及质量百分比如下：

金属陶瓷粉末56-65％，高分子粘结剂35-44％；

金属陶瓷粉末的组成成分及质量百分比如下：

金属粉末1-40％，陶瓷粉末60-99％；

所述金属粉末：1-90μm，中值粒径为40μm；

所述金属粉末材质为Fe或Al或Ag或Mg或Zn或Cu；

所述陶瓷粉末：1-90μm，中值粒径为40μm；

所述陶瓷粉末材质为Al2O3、SiC、SiO2、ZrO2中的一种或其中几种混 合粉末颗粒；

高分子粘结剂的组成成分及质量百分比如下：

石蜡65-70％，乙烯-醋酸乙烯共聚物7-12％，聚丙烯18-23％，硬脂酸1-5％。

二：数据建模处理，利用三维软件建立模型，然后进行切片处理，层片 的厚度为0.06～0.24mm，建立零件的三维数据模型，根据所需功能零件设置相 应的填充路线；

三：交变磁场下熔融沉积成型，利用熔融沉积成型工艺进行打印成型， 根据打印轨迹在需要的位置设置相应的交变磁场，可旋转鸭嘴形打印挤出头 21的温度为175℃，速度为14mm/s，电流的强度0.5A-5A，电流频率 100-10000HZ，计算机控制本发明装置，混合浆料由材料供应打印装置2送至 可旋转鸭嘴形打印挤出头21，并在可旋转鸭嘴形打印挤出头21中加热至熔融 状态，然后选择性地挤出沉积在工作平台4上，快速冷却后形成加工工件截 面轮廓，当成型完成后，工作平台4下降一截面层的高度，可旋转鸭嘴形打 印挤出头21再进行下一层的打印，如此循环，最终形成产品，打印过程中， 可旋转鸭嘴形打印挤出头21在一定温度下将具有流动性的混合浆料按照计算 机设定的轨迹和速度挤出，熔道的金属粉末材料在磁场的作用下迅速移动， 在熔道内组分连续变化，改变交变电流强度和电流频率改变驱动力大小，在 任意空间位置梯度参数可控，且通过改变可旋转鸭嘴形打印挤出头的旋转角 度，得到各种壁厚的坯体；

四：将坯体内的高分子粘结剂进行脱除处理，首先是溶剂脱脂，将坯体 放入三氯乙烯溶液中，溶液的温度为30-50℃，脱脂8-12h，干燥后，然后将 坯体埋入三氧化二铝粉末中，再整体放入真空气氛炉内进行热处理以及预烧 结，温度上升速度为1～3℃/min，温度为500-700℃，时间为3-4h；

五：烧结，将预烧结坯体放在真空气氛炉内继续加温，升温速度为4-6℃ /min，最终温度和保温时间与烧结的金属材料的熔点有关，烧结完成后，得到 所需的梯度金属零件。

本发明之一种在交变磁场中金属陶瓷功能梯度零件的3D打印装置：是由 机床床身1、材料供应打印装置2、数字化交变磁场发生器3和工作平台4组 成，工作平台4固定设置在地面上，材料供应打印装置2设置在机床床身1 上，数字化交变磁场发生器3设置在工作平台4与机床床身1之间。

具体实例1：

请参阅图1、图5、图6和图7所示，本发明之一种在交变磁场中金属陶 瓷功能梯度零件的3D打印方法，该方法的步骤如下：

一：混合浆料的配制，将金属陶瓷粉末与高分子粘结剂均匀混合后加热， 混合浆料在170℃时熔化，在室温情况下会快速固化；

所述混合浆料的组成成分及质量百分比如下：

金属陶瓷粉末60％，高分子粘结剂40％；

金属陶瓷粉末的组成成分及质量百分比如下：

金属粉末33％，陶瓷粉末67％；

所述金属粉末：1-90μm，中值粒径为40μm；

所述金属粉末材质为Cu；

所述陶瓷粉末：1-90μm，中值粒径为40μm；

所述陶瓷粉末材质为Al2O3；

高分子粘结剂的组成成分及质量百分比如下：

石蜡68％，乙烯-醋酸乙烯共聚物10％，聚丙烯19％，硬脂酸3％。

二：数据建模处理，利用三维软件建立模型，然后进行切片处理，层片 的厚度为0.2mm，建立零件的三维数据模型，根据所需功能零件设置相应的 填充路线；

三：交变磁场下熔融沉积成型，利用熔融沉积成型工艺进行打印成型， 根据打印轨迹在需要的位置设置相应的交变磁场，可旋转鸭嘴形打印挤出头 21的温度为175℃，速度为14mm/s，电流的强度2.5A，电流频率1000HZ， 计算机控制本发明装置，混合浆料由材料供应打印装置2送至可旋转鸭嘴形 打印挤出头21，并在可旋转鸭嘴形打印挤出头21中加热至熔融状态，然后选 择性地挤出沉积在工作平台4上，快速冷却后形成加工工件截面轮廓，当成 型完成后，工作平台4下降一截面层的高度，可旋转鸭嘴形打印挤出头21再 进行下一层的打印，如此循环，最终形成产品，打印过程中，可旋转鸭嘴形 打印挤出头21在一定温度下将具有流动性的混合浆料按照计算机设定的轨迹 和速度挤出，熔道的金属粉末材料在磁场的作用下迅速移动，在熔道内组分 连续变化，改变交变电流强度和电流频率改变驱动力大小，在任意空间位置 梯度参数可控，且通过改变可旋转鸭嘴形打印挤出头的旋转角度，得到各种 壁厚的坯体；

四：将坯体内的高分子粘结剂进行脱除处理，首先是溶剂脱脂，将坯体 放入三氯乙烯溶液中，溶液的温度为35℃，脱脂9h，干燥后，然后将坯体埋 入三氧化二铝粉末中，再整体放入真空气氛炉内进行热处理以及预烧结，温 度上升速度为2℃/min，温度为600℃，时间为3.5h；

五：烧结，将预烧结坯体放在真空气氛炉内继续加温，升温速度为5.5℃ /min，最终温度和保温时间与烧结的金属材料的熔点有关，烧结完成后，得到 所需的梯度金属零件。

具体实例2：

请参阅图1、图5、图6和图7所示，本发明之一种在交变磁场中金属陶 瓷功能梯度零件的3D打印方法，该方法的步骤如下：

一：混合浆料的配制，将金属陶瓷粉末与高分子粘结剂均匀混合后加热， 金属浆料200℃时熔化，在室温情况下会快速固化；

所述混合浆料的组成成分及质量百分比如下：

金属陶瓷粉末63％，高分子粘结剂37％；

金属陶瓷粉末的组成成分及质量百分比如下：

金属粉末35％，陶瓷粉末65％；

所述金属粉末：1-90μm，中值粒径为40μm；

所述金属粉末材质为Fe；

所述陶瓷粉末：1-90μm，中值粒径为40μm；

所述陶瓷粉末材质为SiC；

高分子粘结剂的组成成分及质量百分比如下：

石蜡66％，乙烯-醋酸乙烯共聚物11％，聚丙烯20％，硬脂酸3％。

二：数据建模处理，利用三维软件建立模型，然后进行切片处理，层片 的厚度为0.22mm，建立零件的三维数据模型，根据所需功能零件设置相应的 填充路线；

三：交变磁场下熔融沉积成型，利用熔融沉积成型工艺进行打印成型， 根据打印轨迹在需要的位置设置相应的交变磁场，可旋转鸭嘴形打印挤出头 21的温度为175℃，速度为14mm/s，电流的强度3A，电流频率1500HZ，计 算机控制本发明装置，混合浆料由材料供应打印装置2送至可旋转鸭嘴形打 印挤出头21，并在可旋转鸭嘴形打印挤出头21中加热至熔融状态，然后选择 性地挤出沉积在工作平台4上，快速冷却后形成加工工件截面轮廓，当成型 完成后，工作平台4下降一截面层的高度，可旋转鸭嘴形打印挤出头21再进 行下一层的打印，如此循环，最终形成产品，打印过程中，可旋转鸭嘴形打 印挤出头21在一定温度下将具有流动性的混合浆料按照计算机设定的轨迹和 速度挤出，熔道的金属粉末材料在磁场的作用下迅速移动，在熔道内组分连 续变化，改变交变电流强度和电流频率改变驱动力大小，在任意空间位置梯 度参数可控，且通过改变可旋转鸭嘴形打印挤出头的旋转角度，得到各种壁 厚的坯体；

四：将坯体内的高分子粘结剂进行脱除处理，首先是溶剂脱脂，将坯体 放入三氯乙烯溶液中，溶液的温度为45℃，脱脂11h，干燥后，然后将坯体 埋入三氧化二铝粉末中，再整体放入真空气氛炉内进行热处理以及预烧结， 温度上升速度为2.5℃/min，温度为650℃，时间为3h；

五：烧结，将预烧结坯体放在真空气氛炉内继续加温，升温速度为6℃ /min，最终温度和保温时间与烧结的金属材料的熔点有关，烧结完成后，得到 所需的梯度金属零件。

请参阅图1所示，本发明之一种在交变磁场中金属陶瓷功能梯度零件的 3D打印装置：是由XY方向数控移动装置1、数控定量材料挤出机构2、磁 场及移动控制装置3和成型平台4组成，成型平台4固定设置在地面上，数 控定量材料挤出机构2设置在XY方向数控移动装置1上，磁场及移动控制 装置3设置在成型平台4于XY方向数控移动装置1之间。

本发明的工作原理：

在交变磁场中具有优良导电性的金属材料因磁场的连续变化而在材料内 部产生感应电流，根据楞次定律可知，此种感应电流所产生的感应磁场阻碍 原有磁场磁通的变化。因此，感生磁场与交变磁场会产生力会产生作用力， 力F的大小为：F＝V×M×gradH，其中，V是颗粒体积，M为颗粒感生磁 化强度，gradH为磁场梯度，磁化强度M与输入电流强度成正比；磁场梯度 与颗粒所处的位置有关，线圈内部，磁场分布均匀，梯度为零，线圈端部， 磁场梯度最大。