[发明专利]一种利用3D打印技术制备具有复杂结构的多孔金属零件的方法

说明书

本发明涉及一种利用3D打印技术制备具有复杂结构的多孔金属零件的方法，属于3D打印材料设计技术领域。本发明在原料粉末中配入一定量的水溶性粘结剂；然后通过3D打印制备坯体；最后通过溶解水溶性粘结剂的方式来制备多孔材料。所得产品孔隙率可控、通孔率高；且在相同孔隙率的条件下，其所得产品的性能远远优于现有产品。本发明制备工艺简单、生产成本低、所得产品性能优良；便于大规模的工业化应用。

技术领域

本发明涉及一种利用3D打印技术制备具有复杂结构的多孔金属零件的方法，属于3D打印材料设计技术领域。

背景技术

近年来，随着各领域对环保清洁、高效节能等绿色材料的需求，新材料、新技术不断出现，金属多孔材料的开发和应用日益受到人们的关注，其应用领域不断拓展。金属多孔(泡沫金属)材料是20世纪80年代后期国际上迅速发展起来的，是由刚性骨架和内部的孔洞组成，具有优异的物理特性和良好的机械性能的新型工程材料。它具备的优异物理性能，如密度小、刚度大、比表面积大、吸能减振性能好、消音降噪效果好、电磁屏蔽性能高，使其应用领域已扩展到航空、电子、医用材料及生物化学领域等。通孔的金属多孔材料还具有换热散热能力强、渗透性好、热导率高等优点；而闭孔金属多孔材料的物理特性则与通孔的相反。随着现代工业的发展，金属多孔材料呈现出了功能性强、应用面广、新品种不断涌现、使用空间不断拓展的景象，作为功能材料广泛应用于过滤与分离方面，热交换方面，化学工业方面催化载体，吸声降噪、消音方面，流体流量控制方面，电极基体方面，生物材料方面等；作为结构材料广泛应用于汽车工业方面、建筑装修方面、航空航天工业方面、电磁屏蔽方面等。其中钛及钛合金的多孔材料由于与人体组织有良好的相容性且对人体无害而得到广泛应用，如人造骨头、镶牙和人造关节等，多孔人造骨还能通过孔隙率来调整弹性模量，使其与人骨能很好相容，同时具有很好的减振效果，目前钛合金已成为人工关节、齿科植入体、人工心脏瓣膜及介入性心血管支架等医用内植入产品的首选材料。例如在生物医用领域广泛使用的Ti-6Al-4V钛合金，由于弹性模量较高容易出现“应力屏蔽”现象，从而导致种植体周围出现骨吸收，引起种植体松动而造成植入失败，因此国内外的研究人员都在致力研究如何适当调整孔隙度以降低钛合金的弹性模量，而且低模量高强度钛合金的开发已经成为了生物医学材料领域的研究热点。

另一方面，医用、航空、能源、环保、电子、生物化学及化学工业等相关领域，对个性化和定制化的多孔产品或零件的需求量越来越大。例如肿瘤患者、畸形患者、翻修患者等骨缺损的特点都不一样，不同的患者必须采用个性化治疗手段，量身定做多孔植入体。然而，钛合金因为导热系数低和化学亲和力强的特点在熔炼铸造以及热加工过程中极易吸氧和吸氮而导致性能急剧下降。因此，利用传统的机械加工方法难以获得复杂结构的钛合金构件。高昂的模具成本使得制备钛合金个性化定制化医用植入体的成本也更加高昂。近十年快速发展的增材制造技术(选区激光熔融)，已经成为了解决个性化和定制化钛合金医疗产品的最佳解决方案，受到国内外学者的广泛关注。

此外，为了得到不同性能的多孔金属材料，各种制备方法被相继提出，但是传统的金属多孔材料的制备技术主要分为固态金属烧结法(如粉末冶金法制备烧结金属多孔材料)、液态金属凝固法(如铸造法、熔体发泡法制备泡沫金属)和金属沉积法(如溅射法、反应沉积法制备泡沫金属)、3D打印法。其中，除3D打印技术外，其他技术不能制备复杂结构。3D打印技术尽管能定制得到复杂结构的成品，但目前3D打印法一般是通过控制激光功率和铺粉参数来直接制备多孔金属材料或通过加入造孔剂和/或粘结剂经3D打印时烧结脱除造孔剂和/或粘结剂，得到多孔金属材料。3D打印技术尽管能定制得到复杂结构的成品，但通过加入造孔剂和/或粘结剂经3D打印时烧结脱除造孔剂和/或粘结剂得到多孔金属材料的技术存在以下不足：

1.造孔剂和/或粘结剂引入量过少，一般不大于原料粉末的4wt％；这是不利于制备大孔隙率的成品；

2.所引入的造孔剂和/或粘结剂在3D打印时一般会分解。在打印过程中，造孔剂和/或粘结剂的分解尽管有利于造孔，但其也导致了所得产品力学性能的大幅衰减。

3.通孔率偏低。