專利名稱：粉末冶金快速成型敏捷制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是產(chǎn)品成型方法，尤其是一種粉末冶金快速成型敏捷制造方法。
技術(shù)背景快速成型(RP)技術(shù)是九十年代發(fā)展起來的先進(jìn)制造技術(shù)，RP技術(shù)是現(xiàn)代CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、精密伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及新材料技術(shù)的基礎(chǔ)上集成發(fā)展起來的。快速成型的基本原理是將計(jì)算機(jī)內(nèi)的三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分層切片得到各層截面的輪廓數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)據(jù)此信息控制激光器或噴嘴有選擇性地?zé)Y(jié)一層接一層的粉末材料或固化一層又一層的液態(tài)光敏樹脂，或切割一層又一層的片狀材料，或噴射一層又一層的熱熔材料或粘合劑形成一系列具有一個(gè)微小厚度的片狀實(shí)體，再采用熔結(jié)、聚合、粘結(jié)等手段使其逐層堆積成一體，最終得到所需的產(chǎn)品樣件、模具或模型?！胺謱又圃?，逐層疊加”，類似于數(shù)學(xué)上的積分過程。RP技術(shù)的優(yōu)越性是無需準(zhǔn)備任何模具、刀具和工裝卡具的情況下，直接接受產(chǎn)品設(shè)計(jì)(CAD)數(shù)據(jù)，快速制造出新產(chǎn)品的樣件、模具或模型。RP技術(shù)的應(yīng)用，可以大大縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高開發(fā)質(zhì)量。目前，正在開展的鎳基金屬快速成型工藝技術(shù)，即鎳粉或鎳絲激光燒結(jié)成型工藝。該工藝所采用的激光器功率達(dá)到200-500瓦，單臺(tái)設(shè)備投資達(dá)上千萬元。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種粉末冶金快速成型敏捷制造方法，它可實(shí)現(xiàn)金屬或陶瓷產(chǎn)品的樣件、模具或模型的快速成型。
本發(fā)明粉末冶金快速成型敏捷制造方法包括以下步驟一、喂料的制備將粒徑范圍為0.025～60μm的粉末材料與添加劑置于擠出快速成型設(shè)備之恒溫壓力罐(螺桿混料機(jī))內(nèi)，在攪拌轉(zhuǎn)速為10～300r/m，溫度為80～300℃條件下混合0.5～3小時(shí)；粉末材料與添加劑的重量配比為粉末材料30～70％添加劑70～30％；二、啟動(dòng)擠出快速成型設(shè)備，使恒溫壓力罐(螺桿混料機(jī))內(nèi)的喂料進(jìn)入擠壓腔，擠壓腔內(nèi)溫度為80～300℃，壓力為50～250Mpa；擠壓腔噴嘴直徑為5～600μm；三、啟動(dòng)擠出快速成型設(shè)備，擠壓腔內(nèi)的喂料從噴嘴擠出細(xì)絲狀喂料，噴嘴在計(jì)算機(jī)控制下按設(shè)計(jì)的3D零件切片程序運(yùn)動(dòng)，直到完成整個(gè)零件的堆積成型；四、對(duì)步驟四堆積成型的零件表面進(jìn)行打磨和修理，去除坯件上的毛刺；五、采用常規(guī)粉末注射成形工藝對(duì)步驟五的零件進(jìn)行除脂處理，即采用熱除脂處理或溶劑脫脂處理工藝對(duì)零件進(jìn)行除脂處理，去除零件內(nèi)的脂和低熔點(diǎn)揮發(fā)性物質(zhì)；六、采用常規(guī)粉末冶金燒結(jié)成型工藝對(duì)步驟五的零件進(jìn)行高溫終燒結(jié)處理，它可使粉末接觸部位焊合而又保持零件整體形狀、結(jié)構(gòu)基本不變，高溫終燒結(jié)的保溫溫度系數(shù)是0.65～0.85。
七、對(duì)于氣密性要求高的零件，可采用常規(guī)粉末冶金燒結(jié)成型工藝中的滲熔處理對(duì)步驟六的零件進(jìn)行低熔點(diǎn)金屬材料滲熔處理，使零件的空隙充滿低熔點(diǎn)金屬材料，提高零件的強(qiáng)度、零件表面的完整性、結(jié)構(gòu)的密封性；八、采用常規(guī)的金屬加工工藝對(duì)步驟六或七的零件進(jìn)行精加工，獲得與3D設(shè)計(jì)圖形相同的零件。
所述粉末材料可以是低合金鋼、不銹鋼、工具鋼、硬質(zhì)合金、鋁、銅、鐵或陶瓷。
所述添加劑由粘結(jié)劑、潤(rùn)滑劑組成。亦可以由粘結(jié)劑、潤(rùn)滑劑和增塑劑組成。
所述的粘結(jié)劑是石蠟、聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、硬脂酸、高嶺土中的一種或幾種。
所述的潤(rùn)滑劑是硬脂酸鋁、硬脂酸鋅、硬脂酸鋰、硬脂酸鎂、硬脂酸鈉、司班、低分子EVA、低分子量聚乙二醇中的一種或幾種。
所述的增塑劑是莰酮、雙丁基苯二酸、二甲基苯二酸、鄰苯二甲酸正二辛脂、二辛基癸二酸鹽中的一種或幾種。
本發(fā)明粉末冶金快速成型敏捷制造方法的設(shè)計(jì)原理是將快速成型技術(shù)與粉末注射成型技術(shù)和粉末冶金燒結(jié)成型技術(shù)相結(jié)合，利用快速成型技術(shù)，按計(jì)算機(jī)設(shè)定的三維數(shù)據(jù)模型分層切片得到各層截面的輪廓數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)據(jù)此信息控制噴嘴有選擇性地噴射一層又一層的喂料(由粉末、粘結(jié)劑、潤(rùn)滑劑等組成)使其逐層堆積成一體，最終得到所需的產(chǎn)品樣件、模具或模型，再采用粉末注射成形工藝對(duì)其進(jìn)行除脂處理和粉末冶金燒結(jié)成型處理，最后得到所需的快速成型零件。
本發(fā)明粉末冶金快速成型敏捷制造方法設(shè)計(jì)科學(xué)，它將成熟的快速成型工藝、粉末注射成型制造工藝和粉末冶金燒結(jié)成型制造工藝巧妙結(jié)合和組合，避免了大功率激光器燒結(jié)工藝和裝置，實(shí)現(xiàn)了金屬材料或陶瓷材料的快速成型。
本發(fā)明粉末冶金快速成型敏捷制造方法的具體步驟以下實(shí)施例作進(jìn)一步說明。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例粉末冶金快速成型敏捷制造方法包括以下步驟一、喂料的制備(1)粉末材料配料重量百分比由平均粒徑為6μm的鐵鎳合金98％與平均粒徑為3μm鎂粉2％組成；(2)添加劑配料重量百分比由石蠟97％、聚乙烯1％、硬脂酸鋅1.5％、莰酮0.5％組成；(3)將上述粉末材料55％、添加劑45％之重量配比置于擠出快速成型設(shè)備之恒溫壓力罐(螺桿混料機(jī))內(nèi)，在攪拌轉(zhuǎn)速為150r/m；溫度為160℃條件下混合2小時(shí)。
二、啟動(dòng)擠出快速成型設(shè)備，使恒溫壓力罐(螺桿混料機(jī))內(nèi)的喂料進(jìn)入擠壓腔，擠壓腔內(nèi)溫度為130℃，擠壓力為100Mpa；擠壓腔噴嘴直徑為200μm；三、擠出快速成型設(shè)備的噴嘴在計(jì)算機(jī)控制下，按設(shè)計(jì)的3D零件切片程序運(yùn)動(dòng)，并將擠壓腔內(nèi)的喂料從噴嘴以細(xì)絲狀擠出，直到完成整個(gè)零件的堆積成型。
四、對(duì)步驟四堆積成型的零件表面進(jìn)行打磨和修理，去除坯件上的毛刺。
五、采用保護(hù)性氣體下的低溫?zé)Y(jié)工藝對(duì)零件進(jìn)行熱除脂處理，保護(hù)性氣體為氮?dú)饣驓鍤饣蚝饣驓錃猓瑹岢販囟裙に嚍?50±5℃，時(shí)間2小時(shí)；245±5℃，時(shí)間2小時(shí)；450±5℃，時(shí)間2小時(shí)，升溫速率為3℃/分鐘，去除零件內(nèi)的脂和低熔點(diǎn)揮發(fā)性物質(zhì)。
六、對(duì)步驟五的零件進(jìn)行高溫終燒結(jié)處理，高溫終燒結(jié)的保溫溫度是530±5℃，它可使粉末接觸部位焊合而又保持零件整體形狀、結(jié)構(gòu)基本不變。
七、對(duì)步驟六的零件進(jìn)行低熔點(diǎn)金屬材料的滲熔處理，本實(shí)施例采用熔點(diǎn)為217℃的錫銀銅合金對(duì)零件進(jìn)行滲熔處理，使零件的空隙充滿低熔點(diǎn)金屬材料，提高零件的強(qiáng)度、零件表面的完整性、結(jié)構(gòu)的密封性。
八、采用常規(guī)的金屬加工工藝對(duì)步驟六的零件進(jìn)行精加工，獲得與3D設(shè)計(jì)圖形相同尺寸精度和表面粗糙度的零件。
本實(shí)施例粉末冶金快速成型敏捷制造方法步驟中采用的除脂處理、高溫終燒結(jié)處理和滲熔處理分別在梁叔全、黃伯云著《粉末注射成形流變學(xué)》(中南大學(xué)出版社，湖南，2000年12月)，蔣成禹主編《材料加工原理》(哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001年8月)中有詳細(xì)介紹。
權(quán)利要求
1.一種粉末冶金快速成型敏捷制造方法包括以下步驟一、喂料的制備將粒徑范圍為0.025～60μm的粉末材料與添加劑置于擠出快速成型設(shè)備之恒溫壓力罐(螺桿混料機(jī))內(nèi)，在攪拌轉(zhuǎn)速為10～300r/m；溫度為80～300℃條件下混合0.5～3小時(shí)，粉末材料與添加劑的重量配比為粉末材料30～70％添加劑70～30％；二、將步驟一制成的喂料進(jìn)入由計(jì)算機(jī)控制的擠出快速成型設(shè)備之恒溫壓力罐(螺桿混料機(jī))進(jìn)入擠壓腔，擠壓腔內(nèi)溫度為80～300℃，壓力為50～250Mpa；擠壓腔噴嘴直徑為5～600μm；三、啟動(dòng)擠出快速成型設(shè)備，擠壓腔內(nèi)的喂料從噴嘴擠出細(xì)絲狀喂料，噴嘴在計(jì)算機(jī)控制下按設(shè)計(jì)的3D零件切片程序運(yùn)動(dòng)，直到完成整個(gè)零件的堆積成型；四、對(duì)步驟四堆積成型的零件表面進(jìn)行打磨和修理，去除坯件上的毛刺；五、采用常規(guī)粉末注射成形工藝對(duì)步驟五的零件進(jìn)行除脂處理，即采用熱除脂或溶劑脫脂處理工藝對(duì)零件進(jìn)行除脂處理，去除零件內(nèi)的脂和低熔點(diǎn)揮發(fā)性物質(zhì)；六、對(duì)步驟五的零件進(jìn)行高溫終燒結(jié)處理，高溫終燒結(jié)的保溫溫度系數(shù)是0.65～0.85。七、對(duì)步驟六的零件進(jìn)行低熔點(diǎn)金屬材料的滲熔處理，使零件的空隙充滿低熔點(diǎn)金屬材料，提高零件的強(qiáng)度、零件表面的完整性、結(jié)構(gòu)的密封性。八、采用常規(guī)金屬加工工藝對(duì)步驟六的零件進(jìn)行精加工，獲得與3D設(shè)計(jì)圖形相同的零件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述粉末冶金快速成型敏捷制造方法，其特征在于粉末材料可以是低合金鋼、不銹鋼、工具鋼、硬質(zhì)合金、鋁、銅、鐵或陶瓷中的一種或幾種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述粉末冶金快速成型敏捷制造方法，其特征在于添加劑由粘結(jié)劑、潤(rùn)滑劑組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述粉末冶金快速成型敏捷制造方法，其特征在于添加劑由粘結(jié)劑、潤(rùn)滑劑和增塑劑組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述粉末冶金快速成型敏捷制造方法，其特征在于粘結(jié)劑是石蠟、聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、硬脂酸、高嶺土中的一種或幾種。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述粉末冶金快速成型敏捷制造方法，其特征在于潤(rùn)滑劑是硬脂酸鋁、硬脂酸鋅、硬脂酸鋰、硬脂酸鎂、硬脂酸鈉、司班、低分子EVA、低分子量聚乙二醇中的一種或幾種。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述粉末冶金快速成型敏捷制造方法，其特征在于增塑劑是莰酮、雙丁基苯二酸、二甲基苯二酸、鄰苯二甲酸正二辛脂、二辛基癸二酸鹽中的一種或幾種。
全文摘要
一種粉末冶金快速成型敏捷制造方法包括以下步驟喂料的制備；由擠出快速成型設(shè)備按計(jì)算機(jī)控制程序完成整個(gè)零件的堆積成型；零件表面打磨和修理；零件的除脂處理；零件的終燒結(jié)處理；零件的低熔點(diǎn)金屬材料的滲熔處理；零件進(jìn)行精加工。本發(fā)明粉末冶金快速成型敏捷制造方法設(shè)計(jì)科學(xué)，它將成熟的快速成型工藝、粉末注射成型制造工藝和粉末冶金燒結(jié)成型制造工藝巧妙結(jié)合和組合，避免了大功率激光器燒結(jié)工藝和裝置，實(shí)現(xiàn)了金屬材料或陶瓷材料的快速成型。
文檔編號(hào)B22F3/00GK1693016SQ200510033648
公開日2005年11月9日 申請(qǐng)日期2005年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月14日
發(fā)明者李積彬, 徐剛 申請(qǐng)人:深圳大學(xué)