基于FDM铜粉复合丝材打印及脱脂烧结工艺研究

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金属3D打印技术是当下最前沿的增材制造技术,也是最具潜力的金属制造技术。目前主要的金属3D打印技术包括了:选择性激光烧结、选区激光熔融、电子束融化等,其主要以高能激光和电子束作为热源,达到沉积金属粉末成型零件的目的,但是这些技术存在着设备成本昂贵,打印条件苛刻等缺点。本课题针对当下金属3D打印的不足,制备了一种基于熔融沉积成型技术(FDM)的铜粉高分子复合丝材,并研究其打印和脱脂烧结工艺,以此降低金属3D打印的成本。本文主要研究内容如下:(1)为了获取适合打印的复合丝材,本文设计了不同的粘结剂配方,通过理论模型计算,初步确定了粘结剂含量,将材料混炼后制成丝材,利用微观表征测试和直接打印测试,分析了粘结剂配方及含量对可打印性的影响,研究发现,粘结剂采用熔指为8g/min的聚丙烯并加入石蜡和Styrene Ethylene Butylene Styrene(SEBS)效果最好,其最佳体积配比为5:2:2,铜粉和粘结剂最佳配比为11:9,此时铜粉分布均匀、无团聚,打印机出丝流畅,没有堵头现象。(2)为了保证零件打印精度,本文采用正交试验系统地研究了打印速度、打印线宽、打印层高和喷嘴温度对表面质量和零件尺寸的影响规律,研究发现,打印速度和喷嘴温度对打印精度影响较小,打印线宽对表面质量影响较大,较小的打印层高更容易获得理想的零件尺寸,打印精度随各个参数的改变呈U字形变化,当打印速度为15mm/s,打印线宽为喷嘴直径的80%,打印层高为0.1mm,喷嘴温度为190时,零件的尺寸误差最小、表面成型质量最好。(3)本文通过对打印件进行溶剂脱脂、热脱脂及烧结获得了金属件,测量了脱脂零件的质量计算出脱脂后的脱除率,采用了阿基米德排水法测量了金属件的密度,并对金属件微观形貌进行电镜扫描分析(SEM),研究了脱脂和烧结的温度及保温时间对脱脂率及金属件的密度和硬度的影响规律。结果表明,当溶剂脱脂工艺为70保温8h时,粘结剂中的石蜡和SEBS基本脱除;当热脱脂工艺为500保温90min,升温速度0.5/min时,聚丙烯基本脱除,几乎没有粘结剂残留;烧结工艺采用1000保温210min,升温速度为5/min,可以获得质量良好的金属件,其致密度达到了82%以上,硬度也超过60HV,收缩率在14%左右,成型尺寸在可控范围。
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