一种聚合物复合不锈钢3D打印材料、制备方法及零件制备方法
技术领域
本发明属于金属零件3D打印技术领域，具体涉及一种聚合物复合不锈钢%203D打印材料、制备方法及零件制备方法。
背景技术
3D打印利用离散-堆积原理，通过逐层叠加的方式来构造物体，与传统工艺相比，不受模具的限制，可以构造复杂的形状，并且节约开模周期和成本，是一种快速成型技术。3D打印技术起始于19世纪80年代中后期，开始以打印原型，模型为主，到了后期以开发模具为主；2010年以后，随着打印技术的不断发展，打印材料的不断更新，应用于生产目的的3D打印应用逐渐占据主要地位，尤其是金属3D打印，制造的零件性能优越，可以满足终端应用的需求，已在航空航天、汽车等领域应用。
目前金属3D打印最常见的方式是粉末床熔融，这类工艺使用激光或电子束作为热源(SLM工艺使用激光，EBM工艺使用电子束)，逐点将粉末颗粒融化在一起，经散热凝固后与基体金属冶金焊合，然后逐层累计成型出三维实体。这种技术打印的零件与传统工艺加工的零件性能相当，但是打印设备昂贵，打印过程需要惰性气体的保护，对试验室环境要求高，并且原材料为金属粉末，粉末材料不仅对操作者的健康有害，而且达到一定的浓度后，在火源、静电还有摩擦碰撞下易发生燃烧而引起爆炸，存在安全隐患。
熔融沉积成型(FDM)克服粉末床熔融技术的缺陷，设备成本低，以丝材供料，但是这种技术主要打印非金属热塑性材料，包括ABS、PC等，打印零件的性能主要取决于所采用的材料。
发明内容
针对上述现有技术中的缺陷，本发明提供了一种聚合物复合不锈钢3D打印材料、制备方法及零件制备方法，用于熔融沉积成型(FDM)，所述3D打印材料状态为丝状，制备过程简单安全，所成型零件性能优异。本发明的技术方案如下：
聚合物复合不锈钢3D打印材料的制备方法，所述制备方法具体如下：
S1：将不锈钢粉末与聚合物粘结剂按体积比1.5:1至1.8:1加热混合并冷却至室温,得到聚合物复合不锈钢混合物；
优选地，所述不锈钢粉末由以下组分按质量百分比混合制成：
Cr：15.5％-17.5％、Ni：4％-6％、Cu：3％-5％、Nb：0.15％-0.45％、Si：0.5％-0.7％、%20Fe：70.35％-76.85％；
所述聚合物粘结剂由以下组分按质量百分比混合制成：
聚甲醛：32％-38％、低密度聚乙烯5％-8％、硬脂酸2％-3％、聚乙二醇%2013％-18％、石蜡33％-48％；
优选地，所述不锈钢粉末中位粒径为8μm，松装密度为40％-50％，振实密度为50％-80％，粉末颗粒形状为球形或近球形；
S2：将聚合物复合不锈钢混合物挤压成型为直径为1.8mm-2.2mm的丝材。
优选地，所述步骤S1中的加热温度控制在160℃-180℃，混合时间为120%20min-160min。
优选地，所述步骤S2中，采用螺杆挤出机通过口模挤出丝材；
挤丝过程中，螺杆机加料段温度为室温至50℃，压缩段温度为100℃-14%200℃，均化段温度为140℃-180℃，机头及口模段温度为160-200℃。
聚合物复合不锈钢3D打印材料，所述材料为通过权利要求1-5中任意一项所述制备方法所制备的丝状材料。
一种零件制备方法，所述制备方法具体如下：
S1’：将权利要求6所述的丝状材料缠绕形成卷丝材；
S2’：将卷丝材通过热挤出机的喷嘴加热熔化，按照目标打印零件截面的轮廓进行材料挤出、凝固，并与周围的材料凝结，在热床上逐层叠加获得目标零件的三维绿模；
S3’：将三维绿模脱脂后，进行干燥，获得棕模；
S4’：通过真空炉烧结棕模，去除棕模中的高分子聚合物，保留不锈钢材料，得到不锈钢目标打印零件。
优选地，所述步骤S2’中，热挤出机喷嘴温度为210℃-240℃，热床温度为90℃-120℃，挤出材料的直径为0.050mm-0.125mm。
优选地，所述步骤S3’中，三维绿模置于脱脂溶剂中脱脂；
所述脱脂溶剂为反-1，2-二氯乙烯溶剂，浓度为90％-100％，脱脂温度为9%200℃-110℃，脱脂时间为24h-48h；
所述步骤S3’中，干燥温度为40℃-60℃，干燥时间为4h-8h。
优选地，所述步骤S4’中，通过真空炉烧结棕模的具体过程如下：
首先以4℃/min-5℃/min的升温速率从室温升温至300℃-400℃，保温4h-%206h，升温和保温期间，向炉内通入纯氩气，氩气的纯度为99.999％，氩气通入流量40L/min-60L/min；
其次以2℃/min-3℃/min的升温速率升温至600℃-800℃，保温4h-6h；
然后以3℃/min-5℃/min的升温速率升温至1180℃-1350℃，保温4h-6h，此阶段炉内充入氩气和氢气按体积百分比混合的混合气体，其中，氩气2.9％，氢气97.1％，混合公差不超过±10％，气体流量40L/min-60L/min；
最后以1℃/min-2℃/min的降温速率降温至室温，并随炉冷却，降温阶段炉内始终充入纯氩气，氩气的纯度为99.999％，氩气通入流量30L/min-40L/m%20in。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明所述聚合物复合不锈钢3D打印材料为丝材，使用安全，对环境污染小。
2、本发明所述聚合物复合不锈钢3D打印材料的制备方法所采用的设备运营维护成本低，操作简单。
3、本发明所述零件成型方法所制备的零件与传统模具生产的零件性能相当，可以达到航空航天、汽车等领域某些终端产品的要求，替代某些铸、锻造零件直接应用，节省开模的周期和成本。
具体实施方式
为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，本发明的具体实施方式如下：
实施例一：
本实施例一公开了一种基于熔融沉积成型(FDM)技术，采用聚合物复合不锈钢3D打印材料制备金属零件的方法，具体过程如下：
A1：将不锈钢粉末与聚合物粘结剂按体积比1.5:1置于高速搅拌机中均匀混合，一边混合一边加热，加热温度为162℃-165℃，混合时间为160min，然后冷却到室温,得到聚合物复合不锈钢混合物；
所述不锈钢粉由以下组分按质量百分比混合制成：
Cr：17.2％、Ni：5.4％、Cu：3.3％、Nb：0.17％、Si：0.64％、Fe：73.29％；
所述不锈钢粉末中位粒径为8μm，松装密度为40％，振实密度为55％，粉末颗粒为球形或近球形；
所述聚合物粘结剂由以下组分按质量百分比混合制成：
聚甲醛：33.2％、低密度聚乙烯5.6％、硬脂酸2.1％、聚乙二醇14.5％、石蜡44.6％；
A2：将步骤A1中得到的聚合物复合不锈钢混合物加入到螺杆挤出机中，通过口模挤出丝材，挤丝过程中，螺杆机加料段温度为室温，压缩段温度为%20105℃，均化段温度为142℃，机头及口模段温度为166℃，出丝直径为1.8mm；
A3：将步骤A2挤出的丝材通过圆盘装置绕丝收集成卷丝材；
A4：将步骤A3得到的成卷丝材通过热挤出机的喷嘴加热熔化，喷嘴温度为212℃，按照目标打印零件截面的轮廓进行材料挤出、凝固，并与周围的材料凝结，在热床上逐层叠加获得目标零件的三维绿模，热床温度为98℃，挤出材料的直径(逐层叠加层厚)为0.050mm；
A5：将步骤A4得到的三维绿模置于脱脂溶剂中浸泡脱脂，所述脱脂溶剂为反-1，2-二氯乙烯溶剂，浓度为90％-100％，脱脂温度为90℃，脱脂时间为%2044h，然后放到干燥箱内干燥，干燥温度为43℃，干燥时间为8h，获得棕模；
A6：将步骤A5得到的棕模放置到真空炉中烧结，具体过程如下：
先以4℃/min的升温速率从室温升高到310℃，保温6h，升温和保温期间，需向炉内通入纯氩气，氩气的纯度为99.999％，氩气通入流量42L/min；
其次以2℃/min的升温速率升高到650℃，保温5.6h，此阶段不充入任何气体；
然后以3.5℃/min的升温速率升高到1210℃，保温5.4h，此阶段向炉内按体积百分比充入氩、氢混合气体，氩气2.9％，氢气97.1％，混合公差不超过±10％，气体流量50L/min；
最后以1.2℃/min的降温速率降到室温，随炉冷却，降温阶段炉内始终充入纯氩气，氩气的纯度为99.999％，氩气流量31L/min；
通过上述步骤A6去除棕模中的高分子聚合物，保留不锈钢材料，即得到不锈钢目标打印零件。
实施例二：
本实施例二公开了一种基于熔融沉积成型(FDM)技术，采用聚合物复合不锈钢3D打印材料制备金属零件的方法，具体过程如下：
B1：将不锈钢粉末与聚合物粘结剂按体积比1.6:1置于高速搅拌机中均匀混合，一边混合一边加热，加热温度为167℃-172℃，混合时间为150min，然后冷却到室温,得到聚合物复合不锈钢混合物；
所述不锈钢粉由以下组分按质量百分比混合制成：
Cr：16.1％、Ni：4.3％、Cu：4.0％、Nb：0.26％、Si：0.62％、Fe：74.72％；
所述不锈钢粉末中位粒径为8μm，松装密度为45％，振实密度为66％，粉末颗粒为球形或近球形；
所述聚合物粘结剂由以下组分按质量百分比混合制成：
聚甲醛：36.8％、低密度聚乙烯6.4％、硬脂酸2.5％、聚乙二醇13.7％、石蜡40.6％；
B2：将步骤B1中得到的聚合物复合不锈钢混合物加入到螺杆挤出机中，通过口模挤出丝材，挤丝过程中，螺杆机加料段温度为45℃，压缩段温度为%20120℃，均化段温度为164℃，机头及口模段温度为185℃，出丝直径为1.8mm；
B3：将步骤B2挤出的丝材通过圆盘装置绕丝收集成卷丝材；
B4：将步骤B3得到的成卷丝材通过热挤出机的喷嘴加热熔化，喷嘴温度为230℃，按照目标打印零件截面的轮廓进行材料挤出、凝固，并与周围的材料凝结，在热床上逐层叠加获得目标零件的三维绿模，热床温度为110℃，挤出材料的直径(逐层叠加层厚)为0.10mm；
B5：将步骤B4得到的三维绿模置于脱脂溶剂中浸泡脱脂，所述脱脂溶剂为反-1，2-二氯乙烯溶剂，浓度为90％-100％，脱脂温度为105℃，脱脂时间为%2030h，然后放到干燥箱内干燥，干燥温度为50℃，干燥时间为6h，获得棕模；
B6：将步骤B5得到的棕模放置到真空炉中烧结，具体过程如下：
先以4℃/min的升温速率从室温升高到360℃，保温4.8h，升温和保温期间，需向炉内通入纯氩气，氩气的纯度为99.999％，氩气通入流量50L/min；
其次以2℃/min的升温速率升高到720℃，保温5h，此阶段不充入任何气体；
然后以4℃/min的升温速率升高到1280℃，保温5.2h，此阶段向炉内按体积百分比充入氩、氢混合气体，氩气2.9％，氢气97.1％，混合公差不超过±10％，气体流量54L/min；
最后以1.5℃/min的降温速率降到室温，随炉冷却，降温阶段炉内始终充入纯氩气，氩气的纯度为99.999％，氩气流量33L/min；
通过上述步骤B6去除棕模中的高分子聚合物，保留不锈钢材料，即得到不锈钢目标打印零件。
实施例三：
本实施例三公开了一种基于熔融沉积成型(FDM)技术，采用聚合物复合不锈钢3D打印材料制备金属零件的方法，具体过程如下：
C1：将不锈钢粉末与聚合物粘结剂按体积比1.8:1置于高速搅拌机中均匀混合，一边混合一边加热，加热温度为175℃-180℃，混合时间为120min，然后冷却到室温,得到聚合物复合不锈钢混合物；
所述不锈钢粉由以下组分按质量百分比混合制成：
Cr：15.6％、Ni：5.8％、Cu：4.8％、Nb：0.43％、Si：0.66％、Fe：72.71％；
所述不锈钢粉末中位粒径为8μm，松装密度为50％，振实密度为78％，粉末颗粒为球形或近球形；
所述聚合物粘结剂由以下组分按质量百分比混合制成：
聚甲醛：35.5％、低密度聚乙烯6.8％、硬脂酸2.8％、聚乙二醇16.2％、石蜡38.7％；
C2：将步骤C1中得到的聚合物复合不锈钢混合物加入到螺杆挤出机中，通过口模挤出丝材，挤丝过程中，螺杆机加料段温度为35℃，压缩段温度为%20138℃，均化段温度为177℃，机头及口模段温度为200℃，出丝直径为2.2mm；
C3：将步骤C2挤出的丝材通过圆盘装置绕丝收集成卷丝材；
C4：将步骤C3得到的成卷丝材通过热挤出机的喷嘴加热熔化，喷嘴温度为240℃，按照目标打印零件截面的轮廓进行材料挤出、凝固，并与周围的材料凝结，在热床上逐层叠加获得目标零件的三维绿模，热床温度为120℃，挤出材料的直径(逐层叠加层厚)为0.125mm；
C5：将步骤C4得到的三维绿模置于脱脂溶剂中浸泡脱脂，所述脱脂溶剂为反-1，2-二氯乙烯溶剂，浓度为90％-100％，脱脂温度为110℃，脱脂时间为%2028h，然后放到干燥箱内干燥，干燥温度为60℃，干燥时间为4h，获得棕模；
C6：将步骤C5得到的棕模放置到真空炉中烧结，具体过程如下：
先以5℃/min的升温速率从室温升高到380℃，保温4h，升温和保温期间，需向炉内通入纯氩气，氩气的纯度为99.999％，氩气通入流量50L/min；
其次以2.5℃/min的升温速率升高到760℃，保温4h，此阶段不充入任何气体；
然后以5℃/min的升温速率升高到1350℃，保温4.2h，此阶段向炉内按体积百分比充入氩、氢混合气体，氩气2.9％，氢气97.1％，混合公差不超过±10％，气体流量60L/min；
最后以2℃/min的降温速率降到室温，随炉冷却，降温阶段炉内始终充入纯氩气，氩气的纯度为99.999％，氩气流量35L/min；
通过上述步骤C6去除棕模中的高分子聚合物，保留不锈钢材料，即得到不锈钢目标打印零件。
综上所述，为了更加直观的获得聚合物复合不锈钢混合物的组分，上述三个实施例中，聚合物复合不锈钢混合物中的不锈钢粉末分详见下表一：
表一(wt％)
上述三个实施例中，聚合物复合不锈钢混合物中的不锈钢粉末分详见下表二：
表二(wt％)
将上述三个实施例通过聚合物复合不锈钢3D打印材料制备的金属零件，按GB/T228.1-2010标准进行测试，其力学性能指标见下表三：
表三
通过上表三可以看出，通过本发明所述实施例获得的聚合物复合不锈钢3 D打印材料零件的抗拉强度超过1050MPa，屈服强度超过650MPa，延伸率为 (3.0-4.5)％，弹性模量为(150-200)GPa。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
