基于粘结剂喷射的钨粉3D打印工艺研究

发布时间:

2025-11-13

0 引言
粘结剂喷射增材制造(Binder jetting additive manufacturing, BJAM)是一种基于粉末成形的增材制造技术，最初是由美国麻省理工学院EmanualSachs等提出，其使用喷墨式打印喷头选择性沉积粘结剂以实现目标零件的快速成形。粘结剂喷射成形和注塑成形比较类似，首先通过粘结剂和粉末成形目标形状，再经过脱脂和烧结的后处理步骤实现零件的致密化和冶金结合。
粘结剂喷射金属3D打印技术是一种快速、低成本的增材制造技术，其拥有独特的优势，相较于传统铸造工艺可以轻松制造复杂的几何形状，无需考虑传统的加工限制，支持制造内部结构复杂、传统方法难以实现的零件。打印材料选择多样，陶瓷、砂子、金属均可打印。相对于其他3D打印技术，粘结剂喷射3D打印成本较低，可以使用较为便宜的原材料粉末，降低了材料成本[1-3]。
钨渗铜复合材料因其独特的性能组合，在需要高导电性、耐高温、高硬度和耐磨性的应用中具有优势。通过钨渗铜工艺制造的复合材料能够满足高性能应用的需求，特别是在精密制造、航空航天、电力电子等领域。传统的钨渗铜复合材料钨坯体制备是通过粉末冶金压制成型，但其压制的坯体存在密度不均一、孔隙较多的情况，压制形状单一，较复杂结构的零件无法成型，同时制造模具成本较高。在这些方面，采用粘结剂喷射打印钨骨架，生产钨渗铜产品具有较大的优势。
因为粘结剂喷射3D打印工艺及产品需求一般选用粒度集中且球形度较高的粉末[2],其常用粉末粒度范围为0~30μm,本工作主要研究了粒度范围为15~60μm且成本较低的不规则颗粒钨粉的打印工艺，助力粘结剂喷射3DP打印钨渗铜复合材料被大范围应用及粘结剂喷射技术的发展。
1 实验
选用15~65μm的钨粉（如图1所示），并对其粉末粒度(PSD)、密度、流动性进行了表征，粉末为不规则破碎颗粒，粉末颗粒粒径分布的PSD结果：D10、D50、D90分别为17μm、33μm和63μm,安息角为21°,松装密度为9.2g/cm3,振实密度为11.9g/cm3。成形实验在AJM500设备（宁夏共享）中进行，粘结剂选择水基金属粘结剂[4-5]。
成形试样尺寸为100mm×100mm×10mm方块、Φ10mm×10mm抗压试块，Φ25mm×30mm圆柱。为确定粘结剂喷射打印低成本钨粉的工艺参数，进行不同打印参数调整实验。由于铺平辊转速、压实辊转速会影响粉末床铺展均匀性，从而影响打印生坯外观质量，粘结剂饱和度参数影响试样外观质量及生坯强度，粘结剂饱和度定义为粉末颗粒之间的气隙与粘结剂体积的比值。粘结剂饱和度的选择主要取决于粉末与粘结剂之间的润湿性。过低的粘结剂饱和度通常会使粉末颗粒之间缺少粘结，从而导致生坯分层，打印生坯强度偏低，不利于清粉及生坯运输；但过高的粘结剂饱和度／浓度会导致粉末层之间过度润湿，致使粘结剂粘结在铺粉辊上面从而粘结较多的粉末，严重影响尺寸的精度，同时过高的粘结剂饱和度会导致渗墨现象的产生，在此次实验中选择粘结剂饱和度为55%~70%进行打印。而层厚影响生坯密度，层厚即为每次打印铺粉的层厚，层厚对打印生坯表面质量的影响至关重要，层厚过低会导致打印推粉现象的出现，过高则会导致打印生坯密度降低，生坯强度偏低。此次实验层厚设置为60、70、80μm；粉末床的温度参数也会影响最终生坯成形的质量。温度过低会导致渗墨验证发生，过高则会使粘结剂过早反应，导致试样分层同时对打印头造成损伤。通过对不同参数组进行试样打印，在打印结束后将成形箱放入固化设备，固化温度为200℃,经5h固化后取出并清粉得到各实验组的试样。

2 结果
2.1 铺平辊、压实辊转速对铺粉效果的影响
铺平辊主要功能为打散，并将多余的粉末推掉，压实辊主要为紧实，铺平的功能，设置三组参数进行打印，如表1所示，实验得出粉末床的铺平效果最优参数。

如图2所示，当采用方案3,即铺粉参数压实辊转速为13r/s、铺平辊转速为6r/s时，粉末床的铺平效果最好。
2.2 温度参数对生坯质量的影响
设置粉末床的温度主要作用为蒸发粘结剂中的水分，提高成型样中粘结剂的黏度，避免粘结剂继续渗透使产品渗墨，保障生坯尺寸的精度，为此设置四组参数（见表2)进行对比打印试样，确定最佳的温度参数。

如图3所示，当温度设置为55℃,预铺粉加热速度为10mm/s,打印加热速度为60mm/s时，产品表面质量较好，无渗墨现象。

2.3 粘结剂饱和度对生坯质量的影响
粘结剂饱和度作为一个重要的过程打印参数，决定了打印成型的可行性。粘结剂饱和度对成型件的尺寸精度、打印生坯的强度具有一定的影响，粘结剂饱和度若不合适可能导致打印的缺陷和失败。粘结剂饱和度会影响粘结剂在粉末床中的渗透效果，过低的粘结剂饱和度导致其不能将不同层间的粉末进行粘结，且粘结剂的缺乏会使得试样的强度降低，不利于用于后续处理，而过高的粘结剂饱和度将在粉末床中大量渗透从而导致大多数粘结剂渗透至非目标区域，造成尺寸精度偏低，因此需要选择一个合适的粘结剂饱和度水平以保证打印试样具备一定的强度并且不会影响其他成型质量[6-8]。
如表3所示，策划实验方案分别设置打印参数粘结剂饱和度为55%、60%、65%、70%,然后再进行打印试样。

表4为粘结剂饱和度为55%、60%、65%、70%打印试样抗压强度的数据，由图4可知，粘结剂饱和度的增加会提高试样抗压强度，当饱和度为60%时，抗压强度为7MPa左右，满足清粉强度要求。

如图5所示，当饱和度为55%时，打印生坯棱角不分明，强度偏低；当饱和度为65%时，生坯表面有轻微渗墨；当饱和度为70%时，生坯渗墨严重；当粘结剂饱和度为60%时，打印生坯表面质量良好，且强度满足清粉要求。

铺粉层厚的选择一般需要根据粉末的粒度范围或者平均粒径来确定，通常选择铺粉层厚为2~3倍的粉末且平均粒径大于粉末粒度D90才能形成稳定的粉末流。保证粉末床粉面的平整，在合适的铺粉速度、辊子转速、饱和度下，设计铺粉层厚(60、70、80μm)实验，验证层厚对生坯尺寸精度和相对密度的影响。
铺粉层厚对生坯尺寸精度影响如表5所示，当打印层厚越小，生坯尺寸的精度越高，直径和高度方向尺寸偏差越小。

如表6所示，生坯相对密度随打印层厚的升高而降低，当打印层厚为60μm时，密度最高均值为51.62%。如图6所示，打印生坯有推纹，其主要是因为粉末粒度D90为63μm,层厚设置为60μm,打印时大颗粒粉末会随着压实辊移动挤出造成生坯推粉。因此，综合层厚对生坯尺寸和密度的影响结果来看，当层厚为70μm时，打印生坯状态最佳。
3 结论
压实辊转速越高，粉末床粉末更加平整，当压实辊转速为13r/s时，粉末床平整无条纹。当粘结剂饱和度偏低时，存在分层、棱角不分明、强度偏低的现象，而粘结剂饱和度会存在推粉问题，因此饱和度选择60%时，综合质量最佳。
随着铺粉层厚的增加，生坯尺寸误差逐渐增高。随着铺粉层厚的增加，生坯的相对密度降低，当铺粉层厚为70μm时生坯质量最佳。
文献来源：材料导报2024,Vol.38,No.Z2www.mater-rep.com，基于粘结剂喷射的钨粉3D打印工艺研究，陈卫东，张龙江，董智超，杨正学，李婷
星尘科技的球形钨粉依托射频等离子体球化核心技术制备，作为核心产品，其纯度≥99.95%、氧含量≤200ppm，兼具高洁净度与稳定性。粉末球形度超95%，表面光滑无卫星球、极少空心颗粒，粒度在5-150μm间可定制，松装密度≥10.0g/cm³，流动性能优异。凭借钨金属耐高温、射线屏蔽的固有优势，该产品适配激光/电子束增材制造、热等静压、激光熔覆等工艺，广泛应用于航空航天耐高温部件、国防军工、靶材及医疗器械等高端领域，为先进制造提供可靠的粉体材料支撑。更多详情，请联系我们的专业人员：郑经理13318326187.