本發(fā)明涉及一類具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多孔材料及其3D打印制作工藝領(lǐng)域，尤其涉及一種通孔結(jié)構(gòu)金屬多孔材料的3D打印制備工藝。

背景技術(shù)：

典型的多孔材料包括蜂窩狀多孔材料、開(kāi)孔泡沫材料和閉孔泡沫材料，其中前兩種為具有通孔結(jié)構(gòu)的多孔材料。金屬多孔材料兼具功能和結(jié)構(gòu)雙重屬性，作為結(jié)構(gòu)材料，它具有輕質(zhì)、高比強(qiáng)度的特點(diǎn)，作為功能材料，它在吸能減震、消聲降噪、電磁屏蔽、透氣透水、隔熱換熱等方面更顯示出自身的特色，因此金屬多孔材料在一般工業(yè)領(lǐng)域及高科技領(lǐng)域都得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。而對(duì)于一些特定結(jié)構(gòu)的多孔材料，某些方面的性能可能更好。例如有研究表明，用于消聲的多孔材料，如果從接聲面向里面逐步減小孔隙率，可提高吸聲效果。

制備金屬多孔材料的工藝方法很多，按工藝特點(diǎn)可分固態(tài)金屬燒結(jié)法、液態(tài)金屬凝固法和原子離子態(tài)金屬沉積法三大類。不同的工藝方法在工藝復(fù)雜程度、所得到材料的孔結(jié)構(gòu)(形狀、分布均勻性、連通性和孔隙率)、生產(chǎn)成本、適用的金屬種類等方面有所不同。原有的制備方法對(duì)多孔材料的結(jié)構(gòu)很難進(jìn)行有效的控制，因而制得的多孔材料某些方面的性能仍有不足。

3D打印的產(chǎn)生和應(yīng)用為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制備帶來(lái)了新的方法，如果用于多孔材料的制備，可直接制備出具有通孔結(jié)構(gòu)的多孔材料，解決原有的制備方法很難甚至無(wú)法制作的結(jié)構(gòu)。利用3D打印的工藝特點(diǎn)，多孔材料的孔洞及骨架結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要進(jìn)行任意設(shè)計(jì)，以獲得具有不同性能特點(diǎn)的多孔材料。基于上述陳述，本發(fā)明提出了一種通孔結(jié)構(gòu)金屬多孔材料的3D打印制備工藝。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，而提出的一種通孔結(jié)構(gòu)金屬多孔材料的3D打印制備工藝，其采用基于微噴射原理的3D打印工藝制備金屬多孔材料，可制備蜂窩狀金屬多孔材料和開(kāi)孔泡沫金屬材料兩種類型的多孔材料。

一種通孔結(jié)構(gòu)金屬多孔材料的3D打印制備工藝，包括以下步驟：

S1、確定需要制作的多孔材料內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)和尺寸規(guī)格，并繪圖進(jìn)行研究，利用設(shè)計(jì)軟件對(duì)多孔材料進(jìn)行詳細(xì)的三維設(shè)計(jì)，并繪制出實(shí)際尺寸多孔材料的3D模型；

S2、根據(jù)步驟S1中制作的多孔材料的3D模型，在3D打印設(shè)備的成形槽中將粉末材料鋪成厚度為0.1～0.2mm的粉末層，按多孔材料分層截面的實(shí)體形狀噴射粘結(jié)劑粘接粉末，采用紫外光掃描照射該打印層使粘結(jié)劑發(fā)生一定程度的光固化，控制掃描速度使粘結(jié)劑得到的光照時(shí)間為5～8s，并依次不斷重復(fù)，逐層打印堆積獲得多孔材料坯件，得到的坯件埋覆在粉堆中；

S3、從3D打印設(shè)備的成形槽中將打印基板連同粉堆及其中的多孔材料坯件一起取出，放入加熱爐中，在高溫180～210℃的環(huán)境下，加熱20～35min，使多孔材料坯件中的粘結(jié)劑進(jìn)一步固化；

S4、將步驟S3中所得的多孔材料坯件從粉堆中取出，并對(duì)其進(jìn)行表面清潔處理，然后振動(dòng)多孔材料坯件，并去除干凈多孔材料坯件內(nèi)部未被粘結(jié)劑粘結(jié)的粉末，從而形成多孔材料坯件的內(nèi)部通道及孔隙；

S5、將步驟S4中所得的多孔材料坯件放入燒結(jié)爐內(nèi)，以2℃/min的升溫速率升溫到200℃，保溫1小時(shí)后，以1℃/min的升溫速率升溫到310℃，保溫1小時(shí)，然后以0.5℃/min的升溫速率升溫到460℃，保溫2小時(shí)，繼續(xù)以0.5℃/min的升溫速率升溫到700℃，保溫1小時(shí)，完成粘結(jié)劑脫除，最后根據(jù)所用粉末材料的性質(zhì)，勻速升溫至一定溫度進(jìn)行保溫，完成上述保溫后冷卻至室溫即得所需多孔材料制件。

優(yōu)選的，所述步驟S2中的3D打印設(shè)備為基于微噴射原理的3D打印設(shè)備。

優(yōu)選的，所述步驟S2中的粉末材料為打印材料，具體指金屬粉末。

優(yōu)選的，所述步驟S2中的粘結(jié)劑為質(zhì)量百分比為55～70％的UV膠、22～30％的α-氰基丙烯酸酯膠、1～3％的增流劑、1～3％的穩(wěn)定劑、1～3％的增稠劑、1～3％的阻聚劑和1～3％的潤(rùn)滑劑混合制成的液態(tài)粘結(jié)劑。

優(yōu)選的，所述步驟S4中的表面清潔處理具體指用毛刷掃除多孔材料表面未被粘接劑粘接的粉末，或用壓縮空氣吹去多孔材料表面未被粘接劑粘接的粉末。

本發(fā)明提出的一種通孔結(jié)構(gòu)金屬多孔材料的3D打印制備工藝，其避免了采用激光裝置，具有制作工藝簡(jiǎn)單，制作成本低的特點(diǎn)，其中的熱爐加熱固化工序，可同時(shí)將多件坯件進(jìn)行熱固化，有效的提高了制備效率，本發(fā)明制得的多孔材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和孔隙率可控，根據(jù)用途通過(guò)軟件進(jìn)行任意設(shè)計(jì)，并由粉末打印成形后，燒結(jié)而形成多孔材料骨架，其還具有一定的微觀孔隙，本發(fā)明基于低成本的3D打印技術(shù)，能夠制作出具有復(fù)雜內(nèi)部孔道的結(jié)構(gòu)，可廣泛應(yīng)用于蜂窩狀金屬多孔材料和開(kāi)孔泡沫金屬材料兩種類型多孔材料的制備，應(yīng)用前景廣闊。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明提出的3D打印制備的彎曲孔道蜂窩式多孔材料的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明提出的3D打印制備的變截面蜂窩式多孔材料的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步解說(shuō)。

實(shí)施例一

參照?qǐng)D1，彎曲孔道蜂窩式多孔材料：該類多孔材料為蜂窩式結(jié)構(gòu)，且孔道彎曲，孔道截面可以是任意形狀；

其3D打印制備工藝，包括以下步驟：

S1、確定彎曲孔道蜂窩式多孔材料內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)和尺寸規(guī)格，并繪圖進(jìn)行研究，利用設(shè)計(jì)軟件對(duì)多孔材料進(jìn)行詳細(xì)的三維設(shè)計(jì)，并繪制出實(shí)際尺寸多孔材料的3D模型；

S2、根據(jù)步驟S1中制作的多孔材料的3D模型，在基于微噴射原理的3D打印設(shè)備的成形槽中將不銹鋼粉鋪成厚度為0.1mm的粉末層，按多孔材料分層截面的實(shí)體形狀噴射由質(zhì)量百分比為65％的UV膠、27％的α-氰基丙烯酸酯膠、1％的增流劑、3％的穩(wěn)定劑、2％的增稠劑、1％的阻聚劑和1％的潤(rùn)滑劑混合制成的液態(tài)粘結(jié)劑粘接粉末，采用紫外光掃描照射該打印層使粘結(jié)劑發(fā)生一定程度的光固化，控制掃描速度使粘結(jié)劑得到的光照時(shí)間為8s，并依次不斷重復(fù)，逐層打印堆積獲得多孔材料坯件，得到的坯件埋覆在粉堆中；

S3、從3D打印設(shè)備的成形槽中將打印基板連同粉堆及其中的多孔材料坯件一起取出，放入加熱爐中，在高溫200℃的環(huán)境下，加熱25min，使多孔材料坯件中的粘結(jié)劑進(jìn)一步固化；

S4、將步驟S3中所得的多孔材料坯件從粉堆中取出，用毛刷掃除多孔材料表面未被粘接劑粘接的粉末，然后振動(dòng)多孔材料坯件，并去除干凈多孔材料坯件內(nèi)部未被粘結(jié)劑粘結(jié)的粉末，從而形成多孔材料坯件的內(nèi)部通道及孔隙；

S5、將步驟S4中所得的多孔材料坯件放入燒結(jié)爐內(nèi)，以2℃/min的升溫速率升溫到200℃，保溫1小時(shí)后，以1℃/min的升溫速率升溫到310℃，保溫1小時(shí)，然后以0.5℃/min的升溫速率升溫到460℃，保溫2小時(shí)，繼續(xù)以0.5℃/min的升溫速率升溫到700℃，保溫1小時(shí)，完成粘結(jié)劑脫除，最后以5℃/min的升溫速率升溫到1375℃，保溫1小時(shí)，進(jìn)行燒結(jié)，完成上述保溫后冷卻至室溫即得所需多孔材料制件。

實(shí)施例二

參照?qǐng)D2，變截面蜂窩式多孔材料：該類多孔材料為蜂窩式結(jié)構(gòu)，且孔道截面的形狀和尺寸是變化的；

其3D打印制備工藝，包括以下步驟：

S1、確定變截面蜂窩式多孔材料內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)和尺寸規(guī)格，并繪圖進(jìn)行研究，利用設(shè)計(jì)軟件對(duì)多孔材料進(jìn)行詳細(xì)的三維設(shè)計(jì)，并繪制出實(shí)際尺寸多孔材料的3D模型；

S2、根據(jù)步驟S1中制作的多孔材料的3D模型，在基于微噴射原理的3D打印設(shè)備的成形槽中將80％的不銹鋼粉與20％的碳纖維粉的混合粉末鋪成厚度為0.2mm的粉末層，按多孔材料分層截面的實(shí)體形狀噴射由質(zhì)量百分比為55％的UV膠、30％的α-氰基丙烯酸酯膠、3％的增流劑、3％的穩(wěn)定劑、3％的增稠劑、3％的阻聚劑和3％的潤(rùn)滑劑混合制成的液態(tài)粘結(jié)劑粘接粉末，采用紫外光掃描照射該打印層使粘結(jié)劑發(fā)生一定程度的光固化，控制掃描速度使粘結(jié)劑得到的光照時(shí)間為5s，并依次不斷重復(fù)，逐層打印堆積獲得多孔材料坯件，得到的坯件埋覆在粉堆中；

S3、從3D打印設(shè)備的成形槽中將打印基板連同粉堆及其中的多孔材料坯件一起取出，放入加熱爐中，在高溫180℃的環(huán)境下，加熱35min，使多孔材料坯件中的粘結(jié)劑進(jìn)一步固化；

S4、將步驟S3中所得的多孔材料坯件從粉堆中取出，用壓縮空氣吹去多孔材料表面未被粘接劑粘接的粉末，然后振動(dòng)多孔材料坯件，并去除干凈多孔材料坯件內(nèi)部未被粘結(jié)劑粘結(jié)的粉末，從而形成多孔材料坯件的內(nèi)部通道及孔隙；

S5、將步驟S4中所得的多孔材料坯件放入燒結(jié)爐內(nèi)，以2℃/min的升溫速率升溫到200℃，保溫1小時(shí)后，以1℃/min的升溫速率升溫到310℃，保溫1小時(shí)，然后以0.5℃/min的升溫速率升溫到460℃，保溫2小時(shí)，繼續(xù)以0.5℃/min的升溫速率升溫到700℃，保溫1小時(shí)，完成粘結(jié)劑脫除，最后以5℃/min的升溫速率升溫到1325℃，保溫1小時(shí)，進(jìn)行燒結(jié)，完成上述保溫后冷卻至室溫即得所需多孔材料制件。

基于上述三維打印制作方法，多孔材料的孔洞結(jié)構(gòu)可以利用繪圖軟件根據(jù)用途的需要而進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中蜂窩狀多孔材料的孔道既可以是直孔道，也可以是彎曲孔道，而且孔道截面的形狀和大小可以沿孔道而改變；開(kāi)孔泡沫材料的孔洞及骨架的形狀都可以任意設(shè)計(jì)，其尺度的下限與粉末粒度及制備過(guò)程的具體工藝條件有關(guān)；開(kāi)孔泡沫材料各處的孔隙率可以是變化的。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。