纯铜粉末-高分子复合材料3D打印机理分析及实验研究

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纯铜材料由于其自身的高导热和高反射特性,很难在3D打印行业中得以广泛的应用,目前市面上多采用激光烧结技术打印铜合金,针对纯铜材料则还没有较为成熟的打印方法。本文针对纯铜材料难以打印的这一难题,提出了一种便捷高效的低成本的纯铜3D打印方法即纯铜粉末-高分子复合材料共混3D打印方法。该技术关键在于制备纯铜粉末与高分子复合材料的共混物,采用自主研制的,拥有自主知识产权的颗粒喂料式双喷头打印机进行纯铜坯体打印,其中主喷头打印纯铜物料,副喷头打印陶瓷支撑物料,将打印出的坯体放入高温高压热处理烧结炉进行烧结,去除支撑,制备出了质量较好的纯铜异形件。本文完成的主要工作如下:(1)探讨了纯铜粉末与高分子复合材料的混炼机理。对纯铜粉末与高分子复合材料的混炼方法,混炼物料的选取标准以及混炼均匀度的测试方法进行了详细的分析;分析了物料在打印机内部的流动机理,利用流变学公式,分析了影响混合物料流动性的几个主要因素,并且得出一个可以衡量物料整体流变性能的数学参数aSTV,该值越大,物料流变性越好;对纯铜粉末-高分子复合材料共混3D打印制品的脱脂烧结机理进行研究,研究了在脱脂和烧结直至制品成型的过程中,坯体内部微观的结构变化。(2)研发出了一台可使用纯铜粉末-高分子复合材料的颗粒喂料式双喷头打印机,对熔体输送打印机头、打印成型热床、加热保温装置以及打印控制系统进行设计和试制。(3)分析了双喷头打印机中的物料输送装置以及物料挤出装置热传导的过程,使用ANSYS软件进行模拟,得到主喷头与副喷头物料输送套筒与流道转接块的温度分布情况,从而指导打印工艺温度的设定。(4)制定了从材料制备、打印成型以及脱脂烧结等实验方案和成型工艺,分别对纯铜粉末-高分子复合材料最佳配方、颗粒喂料式双喷头打印机的最佳打印参数、纯铜坯体的脱脂烧结最佳工艺以及纯铜/陶瓷粉末-高分子复合材料同收缩率实验进行研究,实验结果表明:1)纯铜粉末质量分数为91.34%是该混合物料的最佳配方。2)纯铜坯体打印最佳工艺为:螺杆温度180℃,熔体泵转速6r·min-1,挤出温度175℃,热床温度55℃。3)最高烧结温度为1040℃时,所得纯铜制品性能最佳(硬度要求为62.6HV以下),其各项性能分别为:制品密度7.44 g.cm-3,硬度62.6HV,抗拉强度222.4Mpa,屈服强度52.2 Mpa。4)将烧结后的样品尺寸与烧结前尺寸进行对比计算,得到制品的收缩比例:水平方向上的收缩系数是0.7664,垂直方向上收缩系数是0.76007。打印前模型在水平方向以及垂直方向需放大1.3048倍和1.3157倍。5)纯铜粉末-高分子复合材料与陶瓷粉末-高分子复合材料同收缩率研究:当陶瓷支撑物料中陶瓷含量为90.80%时,其收缩率与纯铜主材料基本保持一致。6)异形铜件打印烧结验证:将制备好的纯铜和陶瓷物料采用颗粒喂料式双喷头打印机打印并进行脱脂烧结去支撑等工艺,制备出性能较好的纯铜异形件。
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