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

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
技术领域
1.本发明涉及软磁合金3d打印成型技术领域，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。


背景技术：

2.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-结构-性能”一体化增材制造，具有广泛的应用前景。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.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。本发明的软磁合金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。
6.本发明采用的技术手段如下：
7.一种软磁合金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。
8.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。
9.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。
10.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1-3％、石蜡3-8％、聚乙烯醇40-55％、聚甲醛余量，以上百分数为质量百分数。
11.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。
12.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。
13.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-烧结一体化工艺处理，脱脂-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。
14.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。
15.进一步地，脱脂-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。
16.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。而进一步实现本发明软磁合金mim喂料的间接3d打印成型方法，本发明的另一个发明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。
17.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。
18.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。
19.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。
20.较现有技术相比，本发明提供的软磁合金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，然后对软磁合金制品坯体进行脱脂-烧结-后处理一体化工艺处理得到成型的软磁合金工业级制品。
21.本发明解决了软磁复合材料3d打印行业的技术难题；其原理科学可靠，具有打印制造成本低，成型方法实用简便，制备效率高，软磁合金制品的精度高，质量好等优点，适用于软磁制品的批量化和个性化生产，应用前景广阔，使用环境友好。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是本发明3d打印机的主视图；
24.图2是本发明3d打印机的俯视图；
25.图3是本发明3d打印机的左视图；
26.图4是本发明打印机头的主视图；
27.图5是本发明打印机头的俯视图；
28.图6是本发明打印机头的左视图；
29.图7是本发明间接3d打印成形方法的流程图；
30.其中：1、水平方向型材；2、竖直方向型材；3、z轴电机；4、z轴丝杠；5、z轴导柱；6、y轴电机；7、y轴丝杠；8、机头装配模块；9、x轴丝杠；10、x轴电机；11、z轴电机支座；12、z轴导向套；13、z轴丝杠固定套；14、x轴电机支座；15、y轴滑块；16、机头滑块；17、z轴滑块；18、y轴联轴器；19、y轴电机轴承支座；20、y轴丝杠支座；21、x轴联轴器；22、x轴电机轴承支座；23、x轴丝杠支座；24、同步带轮；25、工作平台模块；26、打印机外箱体；27、顶盖；28、固定支架；29、81齿轮；30、27齿轮；31、喷嘴；32、喷嘴外套；33、螺杆套；34、螺杆；35、轴承；36、料仓；37、喷头电机；38、固定板；39、风扇；40、喷嘴预热片。
具体实施方式
31.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
32.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
33.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式
也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
34.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
35.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
36.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
37.本发明涉及的软磁合金mim喂料的间接3d打印成型方法是在粉末喂料挤出式3d打印机装置上实现的，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(如图7所示)，最终获得工业级软磁合金制品。
38.(1)制备原料：将软磁合金粉末，如fesicr、feni等，粉末尺寸分布d10＝约3μm，d50＝约10μm，d90＝约25μm，金属粉末体积分数：45-60％，和粘结剂均匀混合成糊状，其中，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。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1-3％、石蜡3-8％、聚乙烯醇40-55％、聚甲醛余量，以上百分数为质量百分数。
39.最后制备得到用于软磁合金间接3d打印用毛坯的软磁合金混合物颗粒，完成原料的制备过程。(软磁合金复合材料是以软磁金属fesicr、feni等粉末材料为基体并在基体中加入粘结剂形成的混合物料，具有搬运工作用的粘结剂是软磁金属粉末在粉末喂料间接3d打印装置中流动的载体)
40.(2)打印生坯：首先用ug/nx等三维设计软件绘制将要打印的模型，然后开启计算机和粉体喂料间接3d打印机，将计算机中需要打印的文件利用分层软件处理之后导入到
mim粉体喂料间接3d打印机中，软磁合金颗粒喂料在进料口预加热后致使粘结剂处于熔融状态后进入螺杆套内，经过螺杆的均匀搅拌混合，然后将颗粒喂料推送到喷嘴处，在喷嘴处再次经过喷嘴加热柱和喷嘴预热片的加热致颗粒喂料温度进一步升高，降低其黏度有助于打印的流畅性和均匀性。打印过程中喷嘴通过3d打印机挤压和逐层堆积，按照最初的设计，生坯被一层一层地打印出来，得到绿色坯体。
41.(3)脱脂：将步骤(2)打印的软磁合金制品生坯脱脂的作用是从3d打印生坯中去除95％以上的粘结剂聚合物。脱脂工艺包括水脱脂、溶剂脱脂和催化脱脂中的至少一种方法，在溶剂脱脂时，首先将生坯浸泡于适量的脱脂剂里一段时间，本发明中的脱脂剂采用温和的草酸而不是硝酸，草酸更环保，更安全，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。另外脱脂炉可批量处理，操作相对简单，提高脱脂效率。
42.(4)烧结：为了获得最终的致密软磁合金零件，烧结工艺是必须和关键的。将步骤(3)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-烧结一体化工艺处理。脱脂-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，其中，此处的脱脂为催化脱脂，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；通过烧结，残余的粘结剂聚合物首先在适当的加热温度下被去除，当温度升高到金属粒子的熔点以上时，这些粒子开始熔化并增长到密度达到几乎98％。在烧结过程中，由于粘结剂聚合物的去除和金属颗粒的生长，会发生收缩，但收缩率是恒定的，金属部分将按比例放大，以补偿在三维建模步骤中的收缩，从而得到致密的软磁合金制品零件，烧结软磁合金部件具有良好的力学性能，可用于各种工业用途。烧结炉可批量加工棕色坯体，烧结性能和效率高，且操作简单。
43.(5)后处理：烧结的软磁合金部件是完全致密的零件，可直接用于各种工业用途。使用抛光、数控铣削和涂层等机械或化学等后处理方法，可以得到更好的零件外观和更好的精度，同时最终打印的零件也可以得到很好的防护。
44.本发明提供的粉体喂料间接3d打印机如图1-3所示，所述3d打印机包括主体结构和机头结构，主体结构(机架)包括：水平方向型材1和竖直方向型材2，材质均为铝合金；z轴电机3、z轴丝杠4、z轴导柱5；y轴电机6、y轴丝杠7；机头装配单元8；x轴丝杠9、x轴电机10；z轴电机支座11、z轴导向套12、z轴丝杠固定套13、x轴电机支座14、y轴滑块15、机头滑块16、z轴滑块17、y轴联轴器18、y轴电机轴承支座19、y轴丝杠支座20、x轴联轴器21、x轴电机轴承支座22、x轴丝杠支座23、同步带轮24、工作平台模块25、打印机外箱体26和顶盖27。
45.如图4-6所示，本发明的机头装配单元8的结构主要由：固定支架28、81齿轮29、27齿轮30、喷嘴31、喷嘴外套32、螺杆套33、螺杆34、轴承35、料仓36、喷头电机37、固定板38、风扇39等部件组成。
46.具体地，3d打印机工作原理具体细节为：将mim喂料加入料仓36后开始预加热，致使mim喂料中的粘接剂开始融化后进入螺杆34且不断的搅拌推进喂料直至送至喷嘴31处，在喷嘴31处不断加热使喂料温度继续升高，粘结剂的温度升高后黏度降低，有助于打印过
程中的均匀性和流畅性，根据粘结剂材料性质温度控制在170～350℃之间。机架的左侧面和右侧面边框内侧分别设置有两根u形槽状结构的z轴丝杠4，在机架的同一侧面边框上的两根z轴丝杠4之间设置有u形槽状结构的y轴丝杠7，两根y轴丝杠7之间设置有u形槽状结构的x轴丝杠9，任意两根z轴丝杠4平行，z轴丝杠4与三维运动平台垂直，y轴丝杠7与三维运动平台平行，机架的同一侧面边框上的两根z轴丝杠4中的一根的底部设置有z轴电机支座11和z轴电机3，两根y轴丝杠7中的一根的一端设置有y轴电机轴承支座19可安放y轴电机6，x轴丝杠9的一端设置有x轴电机支座14和x轴电机10，z轴电机3控制y轴丝杠7在z轴丝杠4中上下滑动，y轴电机6控制x轴丝杠9在y轴丝杠7中前后滑动，x轴电机10控制机头装配单元8在x轴丝杠9中左右滑动。
47.机头装配单元8的结构原理为：机头主要安装在固定支架28上，喷嘴31垂直向下面对打印板，上宽下窄簸箕式结构的料仓36与螺杆套33一体式连接，且与螺杆套33在竖直方向成45
°
的角度。带有螺纹的输送螺杆34在螺杆套33内部，料仓36的外侧均匀间隔式包套有3～5个圆环形结构的加热圈，螺杆套33的一侧与料仓36连接，螺杆套33的底端通过矩形结构的固定支架28与圆柱形结构的喷嘴31接头固定连接，圆柱形结构的螺杆套33与喷嘴31螺栓式连接后将转接头和喷嘴接头包覆在螺杆套33中，喷嘴31与螺杆套33之间设置有圆柱形结构的喷嘴预热片40，喷嘴接头通过喷嘴外套32与螺杆套33固定连接，喷嘴接头与锁紧套焊接式连接后通过高温密封圈进行密封。
48.所述机头装配单元8为喂料螺杆挤出式结构；三维运动平台能够沿上下、左右和前后方向往复移动；机头装配单元8的运动是受到三维运动平台控制的，运动是受到x/y/z丝杠的控制，可以实现x/yz不同步的运动。
49.z轴电机3、y轴电机6、x轴电机10、喷头电机37均为步进电机；输送螺杆34是采用变螺旋升角方法进行设计的结构部件，具有保证软磁合金复合材料的有效传输和保压作用，能够有效提高软磁合金复合材料在间接3d成型过程中的连续性和稳定性；减速器为多级减速机，减速器用于降低电机的转速，增加电机的转矩；料仓36与螺杆34、螺杆套33一体化整体设计，减少流道环节，保证软磁合金复合材料溶体能够充足的供给给喷嘴31，实现软磁合金复合材料溶体均匀可控的输送，解决了软磁合金复合材料溶体流动不畅现象的难题增加进料的流畅性；喷嘴31采用一分为二的对称加工方式制作，对前半喷头和后半喷头进行抛光后通过螺栓紧固前半喷头和后半喷头使其固定连接为喷头；加热圈的作用是对进料仓36加热；固定支架28用于连接喷嘴31；喷嘴31的材质为具有耐磨、强度高、大幅度提高成型精度、便于安装和拆卸的碳化硅陶瓷材料，喷嘴31的打印精度能够通过调节喷嘴31的直径进行调节，实现软磁合金复合材料生坯的多功能化打印成型。
50.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。