阅读说明：本技术 金属粉末成型方法 (Metal powder forming method ) 是由 沈香莉 崔道旭 于 2020-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种金属粉末成型方法,该方法根据工件的结构形成打印壳体模型,针对打印壳体模型进行剖切,从而形成对应的待打印轮廓,通过打印轮廓,将金属粉末包裹在轮廓内部,选择性地进行脱粘处理,然后再进行烧结和热处理,最终得到完整的金属工件,该处理方法能够避免大量粘结剂的使用,从而能够避免烧结过程中的尺寸收缩,特别是对于大型工件而言,该方法还可以大规模节省粘结剂的用量,具有良好的应用前景。(The invention provides a metal powder forming method, which comprises the steps of forming a printing shell model according to the structure of a workpiece, sectioning the printing shell model to form a corresponding contour to be printed, wrapping metal powder inside the contour through the printing contour, selectively performing debonding treatment, and then performing sintering and heat treatment to finally obtain a complete metal workpiece.)

金属粉末成型方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种金属粉末成型方法。

背景技术

传统制造中，金属粉末的成型加工方法为注射成型，该方法通过将金属粉末与粘结剂混合挤压形成工件胚体，再通过后续的脱脂、烧结以及必要的热处理形成最终的金属制品，该方法加工的精度高，加工方法简单但是难以生产出体积更大的产品。

在金属粉末注射成型的基础上，采用增材制造的方式，通过喷墨3D打印机对金属粉末进行层层喷墨，从而可以制造出体积更大的金属胚体，将金属胚体经过脱脂烧结和热处理后即可形成体积更大的金属工件，然而，大量使用的粘结剂使金属胚体在烧结的过程中会产生一定的收缩形变，体积越大的工件，其中的粘结剂用量越大，在烧结的过程中，工件自身整体产生的形变量也越大，因此大型金属工件采用金属粉末增材打印的方式，精度极低，而且在形变收缩的过程中，工件可能会发生变形，从而影响工件的质量。

而且对于常规使用的铁合金、铝合金和铜合金而言，其膨胀系数普遍偏大，在进行金属粉末的成型制造中，若与粘结剂一起配合使用，最终工件的形变量极大，不利于金属粉末的3D打印加工成型。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种能够大幅度降低收缩率的金属粉末成型方法。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种金属粉末成型方法，包括如下步骤：

步骤一、获取待加工工件的立体结构模型，以该立体结构模型的表面为基础面，向立体结构模型的内部延伸一定厚度，形成大小与立体结构模型相同的打印壳体模型；

步骤二、将打印壳体模型进行逐层分切，以分切得到的打印壳体模型的截面作为打印轮廓，从而形成若干打印平面；

步骤三、在3D打印工作缸内进行金属粉末的铺设，铺设一层金属粉末后，打印结构在该层金属粉末的表面按照步骤二所得打印平面进行打印，从而使打印处的金属粉末粘结；

步骤四、重复步骤三，直至完成打印壳体模型的整体打印，取出打印完毕的金属胚体；

步骤五、将金属胚体进行烧结处理，烧结处理完毕既得到金属工件。

在以上技术方案的基础上，优选的，步骤三中，所述打印结构为激光打印头、激光打印头照射打印处的金属粉末，从而使金属粉末熔融粘结。

在以上技术方案的基础上，优选的，步骤三中，所述打印结构为打印喷头，打印喷头喷出粘结剂从而使打印处的金属粉末粘结。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述金属粉末为铁合金、铝合金、铜合金、锌合金、镍合金、钴合金、铬合金和钛合金中的一种。

进一步优选的，所述金属粉末为铁合金、铝合金和铜合金中的一种。

进一步优选的，所述铁合金为灰铸铁或合金铸铁。

在以上技术方案的基础上，优选的，步骤五还包括，将金属胚体进行脱粘处理，将脱粘处理后的金属胚进行烧结处理，烧结处理完毕既得到金属工件。

更进一步优选的，所述脱粘处理包括化学脱粘、热脱粘、催化脱粘、超临界脱粘和蒸发中的一种或几种的组合。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述打印壳体模型的表面封闭，内部包括若干封闭腔体。

在以上技术方案的基础上，优选的，步骤一中，向立体结构模型的内部延伸的厚度为0.5-2mm。

在以上技术方案的基础上，优选的，步骤一中，先更立体结构模型的内部延伸产生的壳体边界不超出原工件在该位置的表面。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括步骤六，对步骤五所得金属工件进行热处理，得到金属成品。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述热处理包括整体热处理、表面热处理和化学热处理中的一种或几种的组合。

本发明的金属粉末成型方法主要用于汽车金属零部件的成型制造。

本发明的金属粉末成型方法相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)本发明对立体工件的模型的表面进行打印处理，从而形成表面具有打印壳体，内部填充有金属粉末的工件胚体，打印壳体可以对内部的金属粉末起到支撑作用，当进行烧结时，内部的金属粉末经过高温烧结与打印壳体粘结在一起后形成完整工件，采用打印壳体的方式可以尽可能地降低位于壳体内侧金属粉末在烧结过程中产生的收缩量，从而提高工件整体的生产精度；

(2)作为优选的方案之一，采用激光打印壳体部分，可以大幅度降低激光打印的工作量，从而提高打印速度和生产效率，特别对于大型的金属工件而言，打印速度的提高更加明显；

(3)作为另一种优选的方案，采用喷墨打印壳体部分，可以大幅度降低粘结剂的使用，从而在后续脱粘以及烧结的过程中，大幅度降低因粘结剂的消除而导致的金属工件尺寸收缩量，工件的整体收缩量绝大部分由打印壳体部分的收缩量决定，因此通过控制打印壳体的厚度即可控制工件的整体收缩量，同时，只对壳体部分使用粘结剂，可以大幅度降低粘结剂的使用，还能够提高工件的机械强度和生产精度，使金属粉末的增材打印可以应用到大尺寸的金属工件中。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

实施例1

获取待加工的曲柄连杆的立体图，以曲柄连杆的表面作为基础面，利用三维制图软件对该立体图进行抽壳处理，抽壳的厚度为2mm，得到一完全封闭的曲柄连杆壳体结构图，对该曲柄连杆壳体结构进行1000次等距剖切处理，得到1000个曲柄连杆壳体的剖面轮廓图，在3D打印工作缸内进行灰铸铁粉末的铺设，每铺设一层，使用激光打印头对该层灰铸铁粉末进行打印，打印图案为曲柄连杆壳体的剖面轮廓图，在铺设的过程中按照1000个剖面轮廓图的顺序依次进行打印，最终得到内部包覆有灰铸铁粉末的曲柄连杆壳体结构胚体，去除多余的灰铸铁粉末后，将该结构胚体放入烧结炉中进行烧结处理，烧结完毕得到加工完成的曲柄连杆。

实施例2

获取待加工的发动机缸盖立体图，以发动机缸盖的表面作为基础面，利用三维制图软件对该发动机缸盖立体图进行抽壳处理，抽壳的厚度为1mm，得到一完全封闭的发动机缸盖的壳体结构图，对该发动机缸盖的壳体进行10000次等距离剖切处理，得到10000个发动机缸盖壳体的剖面轮廓图，在3D打印工作缸内进行铝合金粉末的铺设，每铺设一层，使用打印喷头喷出粘结剂，使对应轮廓图的铝合金粉末粘结成型，经过10000次铝合金粉末的铺设和粘结剂的喷涂打印，最终得到内部包覆有铝合金粉末的发动机缸盖结构胚体，去除多余的铝合金粉末后，将该结构胚体浸没在有机溶剂中，进行粘结剂的脱除，将脱除粘结剂后的结构胚体进行干燥处理，干燥至无有机溶剂残留时，将结构胚体放入烧结炉中进行烧结处理，烧结完毕，将发动机缸盖进行整体热处理和表面热处理，得到加工完成的发动机缸盖。

实施例3

获取待加工的凸轮轴立体图，以待加工的凸轮轴的表面作为基础面，利用三维制图软件对该凸轮轴立体图进行抽壳处理，抽壳的厚度为0.5mm，得到一完全封闭的凸轮轴的壳体结构图，对该凸轮轴的壳体进行5000次等距离剖切处理，得到5000个凸轮轴壳体的剖面轮廓图，在3D打印工作缸内进行合金铸铁粉末的铺设，每铺设一层，使用激光打印头对该层合金铸铁粉末进行打印，打印图案为凸轮轴壳体的剖面轮廓图，在铺设的过程中按照5000个剖面轮廓图的顺序依次进行打印，最终得到内部包覆有合金铸铁粉末的凸轮轴壳体结构胚体，去除多余的合金铸铁粉末后，将该结构胚体放入烧结炉中进行烧结处理，烧结完毕，将对应的烧结结构分别进行整体热处理和表面热处理，然后在进行化学热处理后得到凸轮轴。

对比例

获取待加工的发动机缸盖立体图，对该发动机缸盖进行10000次等距离剖切处理，得到10000个发动机缸盖的剖面轮廓图，在3D打印工作缸内进行铝合金粉末的铺设，每铺设一层，使用打印喷头喷出粘结剂，使对应轮廓图的铝合金粉末粘结成型，经过10000次铝合金粉末的铺设和粘结剂的喷涂打印，最终得到发动机缸盖结构胚体，去除多余的铝合金粉末后，将该结构胚体浸没在有机溶剂中，进行粘结剂的脱除，将脱除粘结剂后的结构胚体进行干燥处理，干燥至无有机溶剂残留时，将结构胚体放入烧结炉中进行烧结处理，烧结完毕，将发动机缸盖进行整体热处理和表面热处理，得到加工完成的发动机缸盖。

分别对实施例1-3以及对比例所制备得到的工件进行尺寸的测量，并与设计尺寸进行比较，计算工件成品的收缩率，收缩率的数据如下：

组别	实施例1	实施例2	实施例3	对比例
					收缩率(％)	0.89	1.02	0.78	12.15

采用本发明的金属粉末成型方法制备得到的金属工件，在加工成型后，其产生的收缩率明显较低，而采用常规喷墨打印的方式生产的工件，经过脱粘和烧结处理后，工件的体积明显缩小。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。