一种软磁合金MIM喂料的间接3D打印成型方法及其3D打印机技术

本发明专利技术提供一种软磁合金MIM喂料的间接3D打印成型方法及其3D打印机。其打印成型方法包括制备原料、打印生坯、脱脂、烧结和后处理共五个步骤，首先制备出用于打印的FeSiCr或FeNi等软磁合金复合材料MIM颗粒喂料，再采用粉末喂料挤出式3D打印机进行软磁合金制品生坯的低温间接3D打印，然后对软磁合金制品坯体进行脱脂

【技术实现步骤摘要】
一种软磁合金MIM喂料的间接3D打印成型方法及其3D打印机


[0001]本专利技术涉及软磁合金3D打印成型
，具体而言，尤其涉及一种软磁合金MIM喂料的间接3D打印成型方法及其3D打印机。

技术介绍

[0002]增材制造(3D打印)是近年来结构件最流行的近净成形技术之一。直接3D打印技术采用高能源直接作用于金属粉末，包括激光选择性熔化(SLM)、电子束选择性熔化(EBM)和激光熔化沉积(LMD)。该技术适用于制造复杂几何形状、均匀结构和高性能零件，可以实现“材料
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结构
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性能”一体化增材制造，具有广泛的应用前景。
[0003]但是对于软磁合金的直接3D打印技术还不是很成熟，尚处在起步研究阶段，据报道美国NASA已经开始资助大直径3D打印软磁材料开发。随着电动汽车和工业机器人的快速发展，研制高效率的永磁电机非常有工程价值。采用高温选择性激光熔化(SLM)等直接3D打印工艺需要很高的温度和昂贵的机器，对打印材料要求极为苛刻、工艺复杂难以控制导致产品性能难以保持一致等问题，阻碍金属3D打印的推广使用，使大部分工业企业及个人消费者望而却步，且在打印过程中产生的氧化层厚度越厚导致磁导率越低等不良的影响。另外，由于软磁材料中的Cr元素为难熔金属，导致输入的激光能量密度和合金元素在FeSiCr等软磁合金中的溶解度有限，可能会导致低熔点元素(Fe和Si)的汽化并产生气穴等缺陷，使制备具有良好力学性能的全密度软磁复合材料(SMC)FeSiCr零件变得困难。
[0004]因此，有必要研究一种新型的3D打印方法来解决现有的技术难题。

技术实现思路

[0005]根据上述提出对于软磁合金的打印技术存在的对打印材料要求苛刻、打印过程中合金元素熔点不同导致气穴等的技术问题，而提供一种软磁合金MIM喂料的间接3D打印成型方法。本专利技术的软磁合金MIM喂料的间接3D打印成型方法是在粉末喂料挤出式3D打印机上实现的，其工艺过程包括制备原料、打印生坯、脱脂、烧结、后处理五个步骤，最终获得工业级软磁合金制品。
[0006]本专利技术采用的技术手段如下：
[0007]一种软磁合金MIM喂料的间接3D打印成型方法，其特征在于，将配置好的软磁合金颗粒喂料到3D打印机中，软磁合金颗粒喂料在料仓的进料口预加热后以熔融状态进入，经均匀搅拌混合后软磁合金颗粒喂料从喷嘴处经过再次加热升温后挤出用于打印生坯，然后进行后续的脱脂、烧结和后处理后得到软磁合金制备。
[0008]进一步地，制备原料时，将软磁合金粉末按照粉末尺寸D10≈3μm，D50≈10μm，D90≈25μm进行分布，其中，将体积分数为45～60％的金属粉末与粘结剂均匀混合成糊状，得到用于软磁合金间接3D打印用毛坯的软磁合金颗粒。
[0009]优选地，所述粘接剂为热塑性化合物粘接剂、热固性化合物粘接剂、水溶性粘接剂和凝胶粘接剂的一种。
[0010]所述粘接剂由PW(石蜡)、PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、POM(聚甲醛)、SAD(硬脂酸)、PLA(聚乳酸)、PC(聚碳酸酯)和PVA(聚乙烯醇)中的一种或者多种组成。优选地，粘结剂可以由硬脂酸、石蜡、聚乙烯醇、聚甲醛组成，其配比为：硬脂酸1
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3％、石蜡3
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8％、聚乙烯醇40
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55％、聚甲醛余量，以上百分数为质量百分数。
[0011]进一步地，打印生坯时，将三维设计软件绘制的打印模型文件利用分层软件处理之后导入到3D打印机中，降低黏度后的软磁合金颗粒喂料在打印过程中通过3D打印机的喷嘴挤压和逐层堆积，按照预设的模型设计，生胚被一层一层地打印出来，得到绿色坯体。
[0012]进一步地，脱脂是通过水脱脂、溶剂脱脂和催化脱脂中的至少一种方法将绿色坯体中的聚合物粘结剂去除；在溶剂脱脂时，将生坯浸泡于适量的脱脂剂里一段时间，然后将生坯放入充满流动的Ar(纯度，99.999vol％)或H2(纯度，99.999vol％)的熔炉中，最后将炉体缓慢加热到600℃，保温2小时，使聚合物粘结剂完全去除，得到棕色坯体。
[0013]进一步地，烧结是将处理后的棕色坯体放置在真空气氛和高温下的烧结炉中进行脱脂
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烧结一体化工艺处理，脱脂
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烧结一体化工艺处理的持续时间为24～28h，最高烧结温度为1400～1700℃，将软磁合金制品置于室温环境下待其自然冷却至室温，得到最终的软磁合金制备。
[0014]进一步地，后处理是使用抛光、数控铣削和涂层的机械后处理方法和化学后处理方法，得到外观和精度更好的零件。
[0015]进一步地，脱脂
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烧结一体化工艺处理中采用催化脱脂，在以草酸为介质的催化脱脂炉中进行，脱脂温度为80～130℃，脱脂时间为5～8h。热脱脂与所述高温烧结一起在烧结炉中进行，烧结温度为1280～1320℃，烧结时间为18～24h。
[0016]另外，传统的桌面级FDM型3D打印机一般为线型耗材机器，限制了3D打印技术的发展和应用，尤其限制了金属粉末3D打印设备的研发及耗材的制备。目前，国内外对粘土陶瓷和稀土永磁材料的研究较多，其采用的成型方法为喷墨式3D打印方法，喷墨式3D打印设备存在结构复杂和成型精度低的问题。而进一步实现本专利技术软磁合金MIM喂料的间接3D打印成型方法，本专利技术的另一个专利技术目的是提供一种用于软磁合金MIM喂料的3D打印机，主要基于FDM桌面级3D打印机原理，改进进料口方式和喷嘴加热设计，利用间接3D打印技术快速打印软磁合金材料生坯，解决目前软磁合金材料3D打印的关键性技术难题。
[0017]具体结构为，所述3D打印机的机头装配单元为喂料螺杆挤出式结构，其喷嘴垂直向下且面对打印板；上宽下窄簸箕式结构的料仓与螺杆套为一体式连接，与所述螺杆套的一侧连接，且与所述螺杆套在竖直方向呈45
°
的角度；所述料仓的外侧均匀间隔式包套有3～5个圆环形结构的加热圈，带有螺纹的输送螺杆在所述螺杆套内部，所述螺杆套的底端通过固定支架与所述喷嘴的喷嘴外套固定连接，所述螺杆套与所述喷嘴之间设置有喷嘴预热片。
[0018]进一步地，所述3D打印机的主体结构包括机架和设置在机架内的X轴、Y轴和Z轴方向的传动机构，在机架内部设有三维运动平台，所述打印板设置在所述三维运动平台的上面，所述机头装配单元设置在机架内部的中上部，所述机头装配单元和所述三维运动平台能够在传动机构的带动下沿上下、左右和前后方向往复移动。
[0019]进一步地，所述输送螺杆采用变螺旋升角结构，所述喷嘴采用分体式对称结构。
[0020]较现有技术相比，本专利技术提供的软磁合金MIM喂料的间接3D打印成型方法是在桌
面级粉末喂料3D打印机上实现的，其工艺过程包括制备原料、打印生坯、脱脂、烧结和后处理共五个步骤，首先制备出用于打印的FeSiCr或FeNi等软磁合金复合材料MIM颗粒喂料，再采用粉末喂料挤出式3D打印机进行软磁合金制品生坯的低温间接3D打印，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种软磁合金MIM喂料的间接3D打印成型方法，其特征在于，将配置好的软磁合金颗粒喂料到3D打印机中，软磁合金颗粒喂料在料仓的进料口预加热后以熔融状态进入，经均匀搅拌混合后软磁合金颗粒喂料从喷嘴处经过再次加热升温后挤出用于打印生坯，然后进行后续的脱脂、烧结和后处理后得到软磁合金制备。2.根据权利要求1所述的软磁合金MIM喂料的间接3D打印成型方法，其特征在于，制备原料时，将软磁合金粉末按照粉末尺寸D10≈3μm，D50≈10μm，D90≈25μm进行分布，其中，将体积分数为45～60％的金属粉末和粘结剂均匀混合成糊状，得到用于软磁合金间接3D打印用毛坯的软磁合金颗粒。3.根据权利要求1所述的软磁合金MIM喂料的间接3D打印成型方法，其特征在于，打印生坯时，将三维设计软件绘制的打印模型文件利用分层软件处理之后导入到3D打印机中，降低黏度后的软磁合金颗粒喂料在打印过程中通过3D打印机的喷嘴挤压和逐层堆积，按照预设的模型设计，生坯被一层一层地打印出来，得到绿色坯体。4.根据权利要求3所述的软磁合金MIM喂料的间接3D打印成型方法，其特征在于，脱脂是通过水脱脂、溶剂脱脂和催化脱脂中的至少一种方法将绿色坯体中的聚合物粘结剂去除；在溶剂脱脂时，将生坯浸泡于适量的脱脂剂里一段时间，然后将生坯放入充满流动的Ar(纯度，99.999vol％)或H2(纯度，99.999vol％)的熔炉中，最后将炉体缓慢加热到600℃，保温2小时，使聚合物粘结剂完全去除，得到棕色坯体。5.根据权利要求4所述的软磁合金MIM喂料的间接3D打印成型方法，其特征在于，烧结是将处理后的棕色坯体放置在真空气氛和高温下的烧结炉中进行脱脂
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烧结一体化工艺处理，脱脂
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烧结一体化工艺处理的持续时间为24～28h，最高烧结温度为1400～1700℃，将...

【专利技术属性】
技术研发人员：常颖，翟豪瑞，李晓东，余树洲，杨晓莉，张泽亮，张国存，朱无为，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：