[發(fā)明專利]一種利用3D打印技術(shù)制備具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多孔金屬零件的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810025031.0
• 申請日: 2018-01-11
• 公開（公告）號: CN108213408B
• 公開（公告）日: 2020-03-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳超;黃華龍;張曉泳;李志友;周科朝
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: B22F1/00
• 分類號: B22F1/00;B22F3/11
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所(普通合伙) 43114
• 代理人: 蔣太煒

本發(fā)明涉及一種利用3D打印技術(shù)制備具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多孔金屬零件的方法，屬于3D打印材料設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明在原料粉末中配入一定量的水溶性粘結(jié)劑；然后通過3D打印制備坯體；最后通過溶解水溶性粘結(jié)劑的方式來制備多孔材料。所得產(chǎn)品孔隙率可控、通孔率高；且在相同孔隙率的條件下，其所得產(chǎn)品的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有產(chǎn)品。本發(fā)明制備工藝簡單、生產(chǎn)成本低、所得產(chǎn)品性能優(yōu)良；便于大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種利用3D打印技術(shù)制備具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多孔金屬零件的方法，屬于3D打印材料設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近年來，隨著各領(lǐng)域?qū)Νh(huán)保清潔、高效節(jié)能等綠色材料的需求，新材料、新技術(shù)不斷出現(xiàn)，金屬多孔材料的開發(fā)和應(yīng)用日益受到人們的關(guān)注，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。金屬多孔(泡沫金屬)材料是20世紀(jì)80年代后期國際上迅速發(fā)展起來的，是由剛性骨架和內(nèi)部的孔洞組成，具有優(yōu)異的物理特性和良好的機(jī)械性能的新型工程材料。它具備的優(yōu)異物理性能，如密度小、剛度大、比表面積大、吸能減振性能好、消音降噪效果好、電磁屏蔽性能高，使其應(yīng)用領(lǐng)域已擴(kuò)展到航空、電子、醫(yī)用材料及生物化學(xué)領(lǐng)域等。通孔的金屬多孔材料還具有換熱散熱能力強(qiáng)、滲透性好、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點；而閉孔金屬多孔材料的物理特性則與通孔的相反。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，金屬多孔材料呈現(xiàn)出了功能性強(qiáng)、應(yīng)用面廣、新品種不斷涌現(xiàn)、使用空間不斷拓展的景象，作為功能材料廣泛應(yīng)用于過濾與分離方面，熱交換方面，化學(xué)工業(yè)方面催化載體，吸聲降噪、消音方面，流體流量控制方面，電極基體方面，生物材料方面等；作為結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)方面、建筑裝修方面、航空航天工業(yè)方面、電磁屏蔽方面等。其中鈦及鈦合金的多孔材料由于與人體組織有良好的相容性且對人體無害而得到廣泛應(yīng)用，如人造骨頭、鑲牙和人造關(guān)節(jié)等，多孔人造骨還能通過孔隙率來調(diào)整彈性模量，使其與人骨能很好相容，同時具有很好的減振效果，目前鈦合金已成為人工關(guān)節(jié)、齒科植入體、人工心臟瓣膜及介入性心血管支架等醫(yī)用內(nèi)植入產(chǎn)品的首選材料。例如在生物醫(yī)用領(lǐng)域廣泛使用的Ti-6Al-4V鈦合金，由于彈性模量較高容易出現(xiàn)“應(yīng)力屏蔽”現(xiàn)象，從而導(dǎo)致種植體周圍出現(xiàn)骨吸收，引起種植體松動而造成植入失敗，因此國內(nèi)外的研究人員都在致力研究如何適當(dāng)調(diào)整孔隙度以降低鈦合金的彈性模量，而且低模量高強(qiáng)度鈦合金的開發(fā)已經(jīng)成為了生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域的研究熱點。

另一方面，醫(yī)用、航空、能源、環(huán)保、電子、生物化學(xué)及化學(xué)工業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域，對個性化和定制化的多孔產(chǎn)品或零件的需求量越來越大。例如腫瘤患者、畸形患者、翻修患者等骨缺損的特點都不一樣，不同的患者必須采用個性化治療手段，量身定做多孔植入體。然而，鈦合金因為導(dǎo)熱系數(shù)低和化學(xué)親和力強(qiáng)的特點在熔煉鑄造以及熱加工過程中極易吸氧和吸氮而導(dǎo)致性能急劇下降。因此，利用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法難以獲得復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鈦合金構(gòu)件。高昂的模具成本使得制備鈦合金個性化定制化醫(yī)用植入體的成本也更加高昂。近十年快速發(fā)展的增材制造技術(shù)(選區(qū)激光熔融)，已經(jīng)成為了解決個性化和定制化鈦合金醫(yī)療產(chǎn)品的最佳解決方案，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

此外，為了得到不同性能的多孔金屬材料，各種制備方法被相繼提出，但是傳統(tǒng)的金屬多孔材料的制備技術(shù)主要分為固態(tài)金屬燒結(jié)法(如粉末冶金法制備燒結(jié)金屬多孔材料)、液態(tài)金屬凝固法(如鑄造法、熔體發(fā)泡法制備泡沫金屬)和金屬沉積法(如濺射法、反應(yīng)沉積法制備泡沫金屬)、3D打印法。其中，除3D打印技術(shù)外，其他技術(shù)不能制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)。3D打印技術(shù)盡管能定制得到復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成品，但目前3D打印法一般是通過控制激光功率和鋪粉參數(shù)來直接制備多孔金屬材料或通過加入造孔劑和/或粘結(jié)劑經(jīng)3D打印時燒結(jié)脫除造孔劑和/或粘結(jié)劑，得到多孔金屬材料。3D打印技術(shù)盡管能定制得到復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成品，但通過加入造孔劑和/或粘結(jié)劑經(jīng)3D打印時燒結(jié)脫除造孔劑和/或粘結(jié)劑得到多孔金屬材料的技術(shù)存在以下不足：

1.造孔劑和/或粘結(jié)劑引入量過少，一般不大于原料粉末的4wt％；這是不利于制備大孔隙率的成品；

2.所引入的造孔劑和/或粘結(jié)劑在3D打印時一般會分解。在打印過程中，造孔劑和/或粘結(jié)劑的分解盡管有利于造孔，但其也導(dǎo)致了所得產(chǎn)品力學(xué)性能的大幅衰減。

3.通孔率偏低。