[发明专利]一种激光烧结3D打印快速成型氧化铝粉末的制备

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于激光烧结快速成型粉末材料的制备方法，属于快速成型的材料领域，特别涉及一种激光烧结3D打印快速成型氧化铝粉末的制备及应用。

背景技术

3D打印（3D printing），是一种以数字模型文件为基础，运用流体状、粉末状、丝（棒）状等可固化、粘合、熔合材料，通过逐层固化、粘合、熔合的方式来构造物体的技术。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。这打印技术称为 3D立体打印技术。传统制造业一般需要对原材料进行切割或钻孔，即减材制造，可大规模生产；3D打印是将材料一层层堆叠粘合、熔合，即增材制造；可实现快速个性化制造，可制造出传统制造业无法完成的形状。

3D打印材料是3D打印技术发展的重要物质基础，在某种程度上，材料的发展决定着3D打印能否有更广泛的应用。目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等。陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性，在航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的应用。但由于陶瓷材料硬而脆的特点使其加工成形尤其困难，特别是复杂陶瓷部件需通过模具来成形，模具加工成本高、开发周期长，难以满足产品不断更新的需求。3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉和某种胶粘剂粉末所组成的混合物。由于胶粘剂粉末的熔点低，激光烧结时只是将胶粘剂粉末熔化而使陶瓷粉末粘结一起，需要将陶瓷制品放入到温控炉中，在较高的温度下进行后处理。陶瓷粉末和胶粘剂粉末的配比、混合程度会影响到陶瓷部件的性能。粘结剂比例越高，烧结比较容易，但在后处理过程中零部件收缩比较大，会影响部件的尺寸精度。反之，胶粘剂用量少，则不容易烧结。

激光烧结属于增材制造的一种方法。这种工艺也是以激光器为能量源，通过激光束使塑料、蜡、陶瓷、金属或其复合物的粉末均匀地烧结在加工平面上。在工作台上均匀铺上一层很薄（亚毫米级）的粉末作为原料，激光束在计算机的控制下，通过扫描器以一定的速度和能量密度按分层面的二维数据扫描。经过激光束扫描后，相应位置的粉末就烧结成一定厚度的实体片层，未扫描的地方仍然保持松散的粉末状。这一层扫描完毕后，随后需要对下一层进行扫描。先根据物体截层厚度即分层层厚而降低工作台，铺粉滚筒再一次将粉末铺平，可以开始新一层的扫描。如此反复，直至扫描完所有层面。去掉多余粉末，并经过后处理，即可获得产品。

在现有的成型材料领域中，由于SLS(选择性激光烧结)快速成型技术具有原料来源多样和零件的构建时间较短等优点，故在快速成型领域有着较广泛的应用。但大部分是有机材料和复合材料，中国发明专利CN1379061A中公开了一种用于激光烧结成型制品的尼龙粉末材料，通过化学合成和工艺的改进，对尼龙粉末材料的表面进行处理，得到了烧结性能优良，成型制品强度高，韧性好的产品，简化了激光烧结尼龙材料的制备工艺，降低了成本；中国发明专利CN103881371 中公开了一种激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末及其制备方法。

氧化铝陶瓷是一种以氧化铝（Al₂O₃）为主体的陶瓷材料，用于厚膜集成电路。氧化铝陶瓷有较好的传导性、机械强度和耐高温性。氧化铝陶瓷是一种用途广泛的陶瓷，如陶瓷轴承、陶瓷密封件及水阀片，制成熔融玻璃以取代铂坩埚，利用其透光性及可耐碱金属腐蚀性用作钠灯管，在电子工业中可用作集成电路基板与高频绝缘材料等。

本发明通过对氧化铝粉末材料进行表面涂层改性，将高分子的胶粘剂涂层到超细氧化铝粉末的表面，得到的涂层后氧化铝粉末材料可以直接采用激光烧结快速成型。该粉末可达到微米及亚微米级，胶粘剂涂层均匀，胶粘剂用量少，粘结效果好，强度大，后处理简单，而且粒径均一的粉末材料。该材料可以方便快捷地成形精密、异型、复杂的部件，不需要喷洒粘接剂，大大简化才做程序。所得到产品不仅强度高，也使薄壁微小零件的成型在3D快速成型机上的实现成为可能；此外，本专利提供的方法简单，成本低。

发明内容