一种在太空环境中快速制造高精度金属结构的方法技术

本发明专利技术提供一种在太空环境中快速制造高精度金属结构的方法，包括以下步骤：步骤1，金属膏体的制备；步骤2，以金属膏体为原材料，进行立体光刻3D打印，将金属膏体打印成型，得到金属结构件生坯；步骤3，金属结构件生坯成型。本发明专利技术提供的一种在太空环境中快速制造高精度金属结构的方法具有以下优点：采用本发明专利技术制备方法，可制备得到高精度、高强度以及低表面粗糙度的金属结构件。还具有工艺简单，操作容易，易于工业化生产的优点。易于工业化生产的优点。易于工业化生产的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种在太空环境中快速制造高精度金属结构的方法


[0001]本专利技术属于太空金属材料增材制造
，具体涉及一种在太空环境中快速制造高精度金属结构的方法。

技术介绍

[0002]由于太空环境的复杂性，自由状态的金属粉末可能发生悬浮，难以固定堆积，导致金属结构增材制备过程困难，并存在一定的安全隐患，且制备的金属件表面粗糙，需要复杂的后处理工艺。

技术实现思路

[0003]针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种在太空环境中快速制造高精度金属结构的方法，可有效解决上述问题。
[0004]本专利技术采用的技术方案如下：
[0005]本专利技术提供一种在太空环境中快速制造高精度金属结构的方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1，金属膏体的制备；
[0007]步骤1.1，称取配方量的原料，包括：金属粉体、光敏树脂、光引发剂、分散剂和增稠剂；
[0008]各原料配比如下：金属粉体30～60体积份；光敏树脂40～70体积份；将金属粉体质量表示为W1；将光敏树脂质量表示为W2；则：光引发剂的添加量＝(0.5～1)％*W2；分散剂的添加量＝(1～5)％*W1；增稠剂的添加量＝(1～5)％*(W1+W2)；
[0009]步骤1.2，将配方量的金属粉体和配方量的光敏树脂混合，并放入均质机中搅拌均匀，使金属粉体完全分散在光敏树脂中，得到第一混合物；
[0010]步骤1.3，向第一混合物中添加光引发剂，并放入均质机中搅拌均匀，得到第二混合物；
[0011]步骤1.4，向第二混合物中添加分散剂，并放入均质机中搅拌均匀，得到第三混合物；
[0012]步骤1.5，向第三混合物中添加增稠剂，并放入均质机中搅拌均匀，得到最终的混合物，即为最终制备得到的金属膏体；
[0013]其中，最终制备得到的金属膏体，粘度范围在15～20万厘泊，呈现不流动状态，即使倒置金属膏体也固定不流动，但当给其一定的剪切力时，金属膏体呈现剪切变稀的趋势，易铺展；
[0014]步骤2，以金属膏体为原材料，进行立体光刻3D打印，将金属膏体打印成型，得到金属结构件生坯；
[0015]具体的，采用下沉式立体光刻3D打印技术，将金属膏体打印成型；其中，下沉式立体光刻3D打印技术的工艺参数为：打印层厚为0.05～0.1mm，单层曝光时间为1s～3s；
[0016]其原理为：金属膏体按打印层厚铺设后，采用波长为405nm的紫外光进行照射，照
射时间为1s～3s，在紫外光照射金属膏体的过程中，发生以下反应：
[0017]1)紫外光首先激发光引发剂，光引发剂吸收紫外光，光引发剂分子从基态跃迁到激发态；
[0018]在激发态下，光引发剂经历单分子均溶键裂解形成初级自由基，或者与第二个光引发剂分子反应以产生初级自由基；
[0019]2)然后，初级自由基引发光敏树脂形成自由基，随后光敏树脂开始聚合，即：光敏树脂交联形成聚合物链或聚合物网络，从而导致金属膏体固化；实现对一层的打印成型；
[0020]步骤3，金属结构件生坯成型；
[0021]步骤3.1，对金属结构件生坯进行脱脂，以使金属结构件生坯中的光敏树脂完全分解，从而脱除金属结构件生坯中的光敏树脂，得到脱脂后的金属结构件样品；
[0022]具体方法为：将金属结构件生坯放入管式炉中，在惰性气氛下以0.1℃/min～1℃/min的升温速率升至450～900℃，并保温3
‑
5h，随炉冷却至室温；
[0023]步骤3.2，对脱脂后的金属结构件样品进行烧结，得到金属结构成型件；
[0024]具体方法为：将脱脂后的金属结构件样品放入管式炉中，在惰性气氛下以1℃/min～5℃/min的升温速率升至1200℃～1300℃，并保温4～12h，随炉冷却至室温，得到金属结构成型件。
[0025]优选的，金属粉体为镍基高温合金、铝合金、不锈钢或钛合金中的任一种。
[0026]优选的，分散剂为高分子型分散剂，包括SP711高分子型分散剂、BYK110高分子型分散剂或BYK190高分子型分散剂。
[0027]优选的，光敏树脂为三羟甲基丙烷三丙烯酸酯。
[0028]优选的，光引发剂为双(2，4，6
‑
三甲基苯甲酰基)苯基氧化膦。
[0029]优选的，增稠剂为无机类增稠剂、有机类增稠剂中的任一种。
[0030]优选的，增稠剂为黄原胶、ASE
‑
60增稠剂或DN
‑
2024增稠剂。
[0031]优选的，步骤1.2、步骤1.3、步骤1.4和步骤1.5，均质机转速均控制在1200～1500r/min，每次分散30s，共分散3～5次。
[0032]优选的，步骤2中，立体光刻3D打印为立体光刻处理技术或数字光处理技术中的一种。
[0033]优选的，步骤3.1和步骤3.2中，惰性气氛为氮气、氩气中的任意一种。
[0034]本专利技术提供的一种在太空环境中快速制造高精度金属结构的方法具有以下优点：
[0035]采用本专利技术制备方法，可制备得到高精度、高强度以及低表面粗糙度的金属结构件。还具有工艺简单，操作容易，易于工业化生产的优点。
附图说明
[0036]图1为本专利技术提供的在太空环境中快速制造高精度金属结构的方法的流程示意图。
具体实施方式
[0037]为了使本专利技术所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以
解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0038]本专利技术提供一种在太空环境中快速制造高精度金属结构的方法，属于应用于太空环境的基于立体光刻的金属增材制造技术，主要思路为：将原材料配制成膏体体系，其状态固定，相较于粉体或者丝材，更加适合微重力下制备金属结构件。另外，立体光刻技术具有分辨率高、成型速度快以及表面粗糙度低，无需大量的后处理工艺等优势。
[0039]本专利技术的主要目的在于在太空环境中快速制备高精度、高强度以及低表面粗糙度的金属结构件。
[0040]参考图1，本专利技术提供的一种在太空环境中快速制造高精度金属结构的方法，包括以下步骤：
[0041]步骤1，金属膏体的制备；
[0042]步骤1.1，称取配方量的原料，包括：金属粉体、光敏树脂、光引发剂、分散剂和增稠剂；
[0043]其中，金属粉体包括但不限于镍基高温合金、铝合金、不锈钢或钛合金中的任一种。分散剂为高分子型分散剂，包括但不限于SP711高分子型分散剂、BYK110高分子型分散剂或BYK190高分子型分散剂。光敏树脂为三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)。光引发剂可以为双(2，4，6
‑
三甲基苯甲酰基)苯基氧化膦(BAPO，光引发剂819)。增稠剂可以为无机类增稠剂、有机类增稠剂中的任一种。例如，增稠剂为黄原胶、ASE
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在太空环境中快速制造高精度金属结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，金属膏体的制备；步骤1.1，称取配方量的原料，包括：金属粉体、光敏树脂、光引发剂、分散剂和增稠剂；各原料配比如下：金属粉体30～60体积份；光敏树脂40～70体积份；将金属粉体质量表示为W1；将光敏树脂质量表示为W2；则：光引发剂的添加量＝(0.5～1)％*W2；分散剂的添加量＝(1～5)％*W1；增稠剂的添加量＝(1～5)％*(W1+W2)；步骤1.2，将配方量的金属粉体和配方量的光敏树脂混合，并放入均质机中搅拌均匀，使金属粉体完全分散在光敏树脂中，得到第一混合物；步骤1.3，向第一混合物中添加光引发剂，并放入均质机中搅拌均匀，得到第二混合物；步骤1.4，向第二混合物中添加分散剂，并放入均质机中搅拌均匀，得到第三混合物；步骤1.5，向第三混合物中添加增稠剂，并放入均质机中搅拌均匀，得到最终的混合物，即为最终制备得到的金属膏体；其中，最终制备得到的金属膏体，粘度范围在15～20万厘泊，呈现不流动状态，即使倒置金属膏体也固定不流动，但当给其一定的剪切力时，金属膏体呈现剪切变稀的趋势，易铺展；步骤2，以金属膏体为原材料，进行立体光刻3D打印，将金属膏体打印成型，得到金属结构件生坯；具体的，采用下沉式立体光刻3D打印技术，将金属膏体打印成型；其中，下沉式立体光刻3D打印技术的工艺参数为：打印层厚为0.05～0.1mm，单层曝光时间为1s～3s；其原理为：金属膏体按打印层厚铺设后，采用波长为405nm的紫外光进行照射，照射时间为1s～3s，在紫外光照射金属膏体的过程中，发生以下反应：1)紫外光首先激发光引发剂，光引发剂吸收紫外光，光引发剂分子从基态跃迁到激发态；在激发态下，光引发剂经历单分子均溶键裂解形成初级自由基，或者与第二个光引发剂分子反应以产生初级自由基；2)然后，初级自由基引发光敏树脂形成自由基，随后光敏树脂开始聚合，即：光敏树脂交联形成聚合物链或聚合物网络，从而导致金属膏体固化；实现对一层的打印成型；步骤3，金属结构件生坯成型；步骤3.1，对金属结构件生坯进行脱脂，以使金属结构件生坯中的光敏树脂完全分解，从而脱除金属结构件生坯中的光敏树脂，得到脱脂后的金属结构件样品；具体方...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宇贝，李珊，王功，刘兵山，
申请(专利权)人：中国科学院空间应用工程与技术中心，
类型：发明
国别省市：