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3D打印金属材料成分的专利研究慨况

2016-03-31

电子制作 2016年18期
关键词:金属粉末铝粉金属材料

国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心材料工程发明审查部

3D打印金属材料成分的专利研究慨况

彭芳芳 徐方明 张明宇 周 珑

国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心材料工程发明审查部

本文综述了3D打印金属材料成分的专利情况,主要对Fe系、Cu系、Ni系、Ti系、Al系金属及其合金方面的重点专利进行分析和研究,并为今后3D打印耗材中金属材料成分的专利发展提供建议。

3D打印;金属;成分;专利

3D打印技术正在欧美掀起如火如荼的产业化发展热潮,是未来经济增长的重点领域。可适用的材料成熟度却跟不上整个3D打印市场的发展,尤其是金属材料。因此,对3D 打印耗材金属材料的研究具有重要的战略性意义。专利是能够反映科学技术发展水平最新动态的情报文献,其具有较高的使用价值或参考价值,使它成为促进技术发展的先行技术情报[1]。

作为3D打印耗材的金属材料在实际应用中存在形貌、纯度、密度、强度、流动性、成形性等方面的要求。为了提高3D打印金属材料的上述性能, 主要采用的技术手段: 一是从材料本身的成分组成着手,开发各种性能优异的新型3D打印金属材料;二是从材料的制备方法着手,通过调整工艺参数以期许获得优异的材料性能。本文从3D打印金属材料的成分入手,对Fe系、Cu系、Ni系、Ti系、Al系金属及其合金方面的重点专利文献细化分析和研究,以了解该领域的技术思路和技术动态以掌握其研究动向。

1.铁系

JP2001152204 A公开的3D打印金属材料包含球状、平均粒径为0.1-200μm的铁系粉末或非铁系粉末以及抗聚集剂,铁系粉末包含50%以上的铁,非铁系金属粉末可以为镍、镍系合金、铜系合金。由其所制得的模具致密高。

US2002073803 A1公开了一种改良的冶金粉末组成物,包括至少约85重量百分比的基底金属粉末,其包含至少50重量百分比而密度介于2.75到4.6克/立方厘米的微粒雾化的铁基粉末;以及 (b)约0.05至约7.5重量百分比的碳化硅。组成物中还可以包含润滑剂、粘结剂和其他合金元素或粉末,例如铜、镍、锰和石墨。采用该冶金粉末组成物可以获得具有一定强度的紧密零件。

JP2014105373 A公开了一种适于制作3D打印模具制品的金属粉末,所述金属粉末包含71-76 wt.%铁, 10-13 wt.% 铬, 4-9 wt.%镍, 4-7 wt.%铜, 2-3 wt.%铜, 0-4 wt.%钴, 0-0.5 wt.% 硅 0-0.5 wt.% 锰,铬镍总量为16-19 wt.%,铜、钛、钴总量为 8-9 wt.%,硅和锰总量为 0-1 wt.%。采用该金属粉末所获得的制品具有高硬度、热传导性好、耐腐蚀性优良。

CN104525960 A公开了一种可降解生物金属合金材料Fe-Mn-Al-C-Pd系含Pd的金属粉末,组成成分以质量分数表示为:碳(C):0.6-1.2%,锰(Mn):17-21%,铝(Al):0.6-2%,磷(P)<0.004%,硫(S)<0.004%,氮(N)<0.02%,钯(Pd)含0.6-2%。该金属粉末采用3D打印出来具有24小时内生物医学降解速率超过0.5mg/cm2,48小时内降解速率达到2.5mg/ cm2,屈服强度超过700MPa,抗拉强度超过1200Mp,均匀延伸率在30%以上,该粉末粉末粒度细且分布区间窄;流动性好;球形度高;松装密度高。

2.铜系

CN103801704 A公开一种适用于3D打印的成型铜粉,其特征在于,所述铜粉含氧量小于 500ppm,粒径小于10μm,粒径均一。

CN104177748 A公开了一种纳米铜基3D打印用复合导电材料,其由下列重量比的原料组成:纳米铜粉 20-30%,α-氰基丙烯酸甲酯 15-20%,二乙烯三胺15-20%,γ-氨丙基三乙氧基硅烷 15-20%,聚乙炔5-10%,丙酮20-30%。将纳米铜粉分散在具有一定粘度的胶体溶液中,铜粉分布均匀,复合导电材料稳定性好。所获得的3D打印材料是一种流体材料,打印过程不会堵塞3D打印机喷头,适用于现有的多数3D打印机,导电率高,达到105S/m量级。

3.镍系

JP2001200305A公开了一种软磁合金微粉末,具有高纯度、高均匀性以及1-100nm的粒径尺寸,组成例如可以是60wt%镍和40wt%铁。

CN103785860 A公开了一种3D打印机用的金属粉末。其平均粒径为10-50微米,所述的金属粉末可以为镍的纯金属粉。

4.钛系

CN103381484 A公开一种能够运用3D打印技术的钛基粉末,通过控制磁场,将纯化的熔体降落到气雾化室中,在超音速高压氩气雾化器和冷却装置作用下,熔体被雾化成球形度好、含氧量小于1800ppm、含氮量小于300ppm的球状钛基粉末。

CN104148658 A公开了一种增材制造专用Ti6Al4V合金粉末,所述合金成分比例为:Al:5.5%-6.75%,V:3.5%-4.5%,Fe≤0.3%,C≤0.1%,N≤0.05%,H≤0.015%,O≤0.2%,余量为Ti,其中Ti的纯度达到99.9%以上。

5.铝系

CN103936392 A公开了一种3D打印成型材料及其制备方法,具体可以为铝粉成型材料,其制备包括铝粉预处理:在研磨机中,加入30mL 丙酮,加入70g铝粉,开启研磨机转速在800转/分钟,室温研磨40min,再加入6g γ―(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷,转速在800转/分钟,室温下继续研磨1.5h,得到预处理铝粉;3D打印铝粉成型材料制备:在反应器中,加入60 mL的丙酮,加入5g的聚乙烯醇缩甲醛,搅拌溶解,加入47g的预处理铝粉,搅拌混合均匀,放入研磨机中,转速在800转/分钟,常温混合研磨7.5 h,然后喷雾干燥即得。

6.合金

CN104493184 A公开了一种可用于3D打印的青铜合金粉末,其成分按照重量百分比计为CudSnaXbYc,其中X表示Al、Be、Zn、Ni、Cr、Mn、Co、Fe、Ag、Sb、Pb元素之一或几种组合,Y表示Li、Ti、In、RE、P、Si、B元素之一或几种组合,a的重量百分比1-40,b的重量百分比0-30,c的重量百分比0-2,d的重量百分比为余量。

3D打印技术逐渐应用于实际产品的制造,而3D打印金属零部件一直也是研究和应用的重点。3D打印金属材料主要分为Fe系、Cu系、Ni系、Ti系、Al系金属及其合金,我国3D打印金属材料缺乏技术标准,国内有能力生产3D打印金属材料的企业很少,制约着我国3D打印技术发展的独立性。因此,加大3D打印金属材料先进技术的研发、增加3 D打印金属材料产业化的技术和资金投入,加强3D打印材料自主知识产权的保护,已成为一项刻不容缓的任务。

[1]累迪.专利地图在专利情报分析中的应用[J].情报探索,2011(2):59-61.

彭芳芳(1981-),女,国家知识产权局专利局专利审查协作中心,研究方向:专利分析。

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