CN103936392B

CN103936392B - 一种3d打印无机粉末成型材料的制备方法

Info

Publication number: CN103936392B
Application number: CN201410092397.1A
Authority: CN
Inventors: 李慧芝; 张培志; 许崇娟
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2034-03-13
Also published as: CN103936392A

Abstract

本发明公开了一种3D打印无机粉末成型材料的制备方法，特征在于该方法包括粉末材料预处理：将10%~30%的丙酮、62%~85%的粉末材料、2%~10%的γ―(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷混合在转速在500~1000转/分钟研磨1~2h，得到预处理粉末材料；成型材料的制备：按质量百分浓度加入40%~65%的丙酮，加入2%~8%的聚乙烯醇缩甲醛，搅拌溶解，加入30%~55%的预处理粉末材料，搅拌混合均匀，放入研磨机中，转速在500~1000转/分钟，常温混合研磨6~9h，然后喷雾干燥，得到3D打印无机粉末成型材料。该材料不需要喷洒粘结剂在加热190~210℃，压力在1MPa~10MPa的范围内可直接成型，具有制备工艺简单，条件易于控制，生产成本低，易于工业化生产。

Description

一种3D打印无机粉末成型材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种3D打印无机粉末成型材料的制备方法，属于快速成型的材料领域，特别涉及一种用于3D打印快速成型无机粉末材料的制备工艺。

背景技术

快速成形技术又称快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。即，快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。

三维打印（Three Dimonsion Printing, 简称3DP）是一种快速成型技术，可将计算机设计的三维模型数据分为层片模型数据，将特定原材料一层一层堆积成型直至完成整个实体的构建。3DP成型具有成本低、工作过程无污染、成型速度快等优点。

3D打印技术有3DP 技术、FDM熔融层积成型技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结、DLP激光成型技术和UV紫外线成型技术，技术不同所用材料则完全不同，与我们普通人和家庭所应用的最为普遍的是FDM3D打印技术，这种技术可以进入到家庭，操作简单，所用材料普遍易得，这种技术打印出产品也接近我们的生活用品，所用的材料主要是环保高分子材料，如：PLA、PCL PHA PBS PA　ABS PC PS　POM　PVC，因为这种技术是一般是在桌面上打印，熔融的高分子材料所产生的气味或是分解产生有害物质直接与我们的人接触，容易造成安全问题。工业零件等需要有一定强度功能的制件可以选择相适应的材料。

在现有的成型材料领域中，由于SLS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。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。但SLS工艺存在着诸多不足严重限制了SLS的进一步应用和普及；从而也使基于SLS工艺成型材料使用受到限制。

3DP工艺与SLS工艺类似，均采用粉末材料选区成型，所不同的是3DP工艺的粉末材料不是通过激光的层层烧结连接起来的，而是在喷头的作用下，用粘接剂（如硅胶）将零件的截面信息“印刷”在粉末材料上面。由于3DP是通过喷头喷洒粘接剂成型，避免了使用激光等复杂昂贵的烧结设备的使用成本，利于快速成型技术的使用和推广。中国发明专利CN102093646 B中公开了一种用于三维打印快速成型材料的制备方法，是将粉末材料进行一系列的改性得到改性粉末材料A，使用时改性粉末材料A与粘接剂B配用。

由于3DP快速成型材料粉末的粒径较大，使薄壁零件不易成型，微小零件的成型精度不够高，表面存在较明显的粗糙感；此外，由于粘结剂不够牢固，存在着成型件强度低等不足。此外，当前市场上所售的3DP工艺成型材料基本被国外公司所垄断，售价高，严重制约3DP成型技术在我国的推广和普及。

本发明通过对粉末材料进行表面分散改性，得到超细粉末材料可达到微米级甚至亚微米级，而且粒径均一的粉末材料；从粉末改性的配方入手，得到的粉末无机材料在一定的温度和压力下可直接成型，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3DP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

本发明的目是提供一种3D打印无机粉末成型材料的制备方法，快速成型粉末不需要喷洒粘结剂可直接成型；

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种3D打印无机粉末成型材料的制备方法，特征在于该方法具有以下工艺步骤：

（1）粉末材料预处理：在研磨机中，按质量百分浓度加入10%~30%的丙酮，加入62%~85%的粉末材料，开启研磨机，转速在500~000转/分钟，室温研磨30~50min，再加入2%~10%的γ―(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷，各组分之和为百分之百，转速在500~1000转/分钟，室温下继续研磨1~2h，得到预处理粉末材料；

（2）3D打印无机粉末成型材料制备：在反应器中，按质量百分浓度加入40%~65%的丙酮，加入2%~8%的聚乙烯醇缩甲醛，搅拌溶解，加入30%~55%的预处理粉末材料，各组分之和为百分之百，搅拌混合均匀，放入研磨机中，转速在500~1000转/分钟，常温混合研磨6~9 h，然后喷雾干燥，得到3D打印无机粉末成型材料，所得到3D打印无机材料的粒径在0.5~1.0μm范围内；

在步骤（1）中所述的粉末材料为陶土、滑石粉、石英、铝粉、铁粉、铜粉、氢氧化铝、二氧化硅、云母、玻璃粉，其粉末材料的粒径在0.4~0.9μm范围内；

在步骤（2）中所述的喷雾干燥，进风温度控制在80~120℃范围内。

本发明所述的颗粒度测试方法是采用激光粒度仪测得的粒度当量直径尺寸。

本发明的另一目的是提供一种用于三维打印快速成型粉末材料在三维打印机上成型的应用，特点为：取快速成型粉末材料置于三维打印快速成型机上，在铺展均匀的快速成型粉末材料的水平平面X和Y方向上（X和Y方向分别代表水平面的横向和纵向），然后在平面竖直Z方向上下降一定高度。再对下一层进行快速成型粉末材料的铺展，如此重复，全部加料完成后，温度升到190~210℃范围内，压力在1MPa~10MPa的范围内可直接成型。

本发明与现有技术比较，具有如下优点及有益效果：

（1）本发明获得3D打印无机粉末成型材料，不需要喷洒粘结剂在加热190~210℃，压力在1MPa~10MPa的范围内可直接成型。

（2）本发明获得3D打印无机粉末成型材料，颗粒可达到亚微米级甚至纳米级，具有中位径粒小，粒度分布范围窄的特点，性质稳定；由这种快速成型粉末材料可以制造薄壁模型或微小零部件，制造出产品具有表面光泽度高，强度好，精度高等特点。

（3）本发明获得3D打印无机粉末成型材料，具有制备工艺简单，条件易于控制，生产成本低，易于工业化生产。

（4）本发明获得3D打印无机粉末成型材料，能够有效的在三维打印机上快速成型，可应用于多种不同型号的三维打印机。

具体实施方式

实施例1

（1）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；

（2）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，得到3D打印铝粉成型材料。

实施例2

（1）铝粉预处理：在研磨机中，加入38mL 丙酮，加入62g铝粉，开启研磨机转速在1000转/分钟，室温研磨30min，再加入8g γ―(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷，转速在1000转/分钟，室温下继续研磨2h，得到预处理铝粉；

（2）3D打印铝粉成型材料制备：在反应器中，加入75 mL的丙酮，加入8g的聚乙烯醇缩甲醛，搅拌溶解，加入32g的预处理铝粉，搅拌混合均匀，放入研磨机中，转速在1000转/分钟，常温混合研磨9 h，然后喷雾干燥，得到3D打印铝粉成型材料。

实施例3

（1）铝粉预处理：在研磨机中，加入15mL 丙酮，加入80g铝粉，开启研磨机转速在500转/分钟，室温研磨50min，再加入8g γ―(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷，转速在500转/分钟，室温下继续研磨1h，得到预处理铝粉；

（2）3D打印铝粉成型材料制备：在反应器中，加入50 mL的丙酮，加入3g的聚乙烯醇缩甲醛，搅拌溶解，加入57g的预处理铝粉，搅拌混合均匀，放入研磨机中，转速在500转/分钟，常温混合研磨6 h，然后喷雾干燥，得到3D打印铝粉成型材料。

实施例4

（1）陶土粉末材料预处理：在研磨机中，加入30mL 丙酮，加入70g陶土粉末材料，开启研磨机转速在500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500转/分钟，室温下继续研磨1.5h，得到预处理陶土粉末材料；

（2）3D打印陶土粉末成型材料制备：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的预处理陶土粉末材料，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，得到3D打印陶土粉末成型材料。

实施例5

（1）滑石粉预处理：在研磨机中，加入25mL 丙酮，加入75g滑石粉，开启研磨机转速在1000转/分钟，室温研磨50min，再加入5g γ―(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷，转速在1000转/分钟，室温下继续研磨1h，得到预处理滑石粉；

（2）3D打印滑石粉成型材料制备：在反应器中，加入65mL的丙酮，加入6g的聚乙烯醇缩甲醛，搅拌溶解，加入42g的预处理滑石粉，搅拌混合均匀，放入研磨机中，转速在1000转/分钟，常温混合研磨9h，然后喷雾干燥，得到3D打印滑石粉成型材料。

实施例6

（1）石英粉末材料预处理：在研磨机中，加入35mL 丙酮，加入65g石英粉末材料，开启研磨机转速在500转/分钟，室温研磨40min，再加入7g γ―(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷，转速在500转/分钟，室温下继续研磨2h，得到预处理石英粉末材料；

（2）3D打印石英粉末成型材料制备：在反应器中，加入55 mL的丙酮，加入6g的聚乙烯醇缩甲醛，搅拌溶解，加入50g的预处理石英粉末材料，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8 h，然后喷雾干燥，得到3D打印石英粉末成型材料。

实施例7

（1）铁粉预处理：在研磨机中，加入25mL 丙酮，加入75g铁粉，开启研磨机转速在1000转/分钟，室温研磨50min，再加入5g γ―(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷，转速在1000转/分钟，室温下继续研磨1h，得到预处理铁粉；

（2）3D打印铁粉成型材料制备：在反应器中，加入65mL的丙酮，加入6g的聚乙烯醇缩甲醛，搅拌溶解，加入42g的预处理铁粉，搅拌混合均匀，放入研磨机中，转速在500转/分钟，常温混合研磨9h，然后喷雾干燥，得到3D打印铁粉成型材料。

实施例8

（1）铜粉预处理：在研磨机中，加入30mL 丙酮，加入70g铜粉，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，得到预处理铜粉；

（2）3D打印铜粉成型材料制备：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的预处理铜粉，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，得到3D打印铜粉成型材料。

实施例9

（1）二氧化硅粉末材料预处理：在研磨机中，加入35mL 丙酮，加入65g二氧化硅粉末材料，开启研磨机转速在1000转/分钟，室温研磨40min，再加入7g γ―(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷，转速在1000转/分钟，室温下继续研磨2h，得到预处理二氧化硅粉末材料；

（2）3D打印二氧化硅粉末成型材料制备：在反应器中，加入55 mL的丙酮，加入6g的聚乙烯醇缩甲醛，搅拌溶解，加入50g的预处理二氧化硅粉末材料，搅拌混合均匀，放入研磨机中，转速在1000转/分钟，常温混合研磨8 h，然后喷雾干燥，得到3D打印二氧化硅粉末成型材料。

实施例10

（1）氢氧化铝粉末材料预处理：在研磨机中，加入38mL 丙酮，加入62g氢氧化铝粉末材料，开启研磨机转速在1000转/分钟，室温研磨30min，再加入8g γ―(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷，转速在1000转/分钟，室温下继续研磨2h，得到预处理氢氧化铝粉末材料；

（2）3D打印氢氧化铝粉末成型材料制备：在反应器中，加入75 mL的丙酮，加入8g的聚乙烯醇缩甲醛，搅拌溶解，加入32g的预处理氢氧化铝粉末材料，搅拌混合均匀，放入研磨机中，转速在1000转/分钟，常温混合研磨9 h，然后喷雾干燥，得到3D打印3D打印氢氧化铝粉末成型材料。

实施例11

（1）云母粉末材料预处理：在研磨机中，加入35mL 丙酮，加入65g云母粉末材料，开启研磨机转速在500转/分钟，室温研磨40min，再加入7g γ―(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷，转速在500转/分钟，室温下继续研磨2h，得到预处理云母粉末材料；

（2）3D打印云母粉末成型材料制备：在反应器中，加入55 mL的丙酮，加入6g的聚乙烯醇缩甲醛，搅拌溶解，加入50g的预处理云母粉末材料，搅拌混合均匀，放入研磨机中，转速在1000转/分钟，常温混合研磨8 h，然后喷雾干燥，得到3D打印云母粉末成型材料。

使用方法：取实施例中合成的快速成型粉末材料置于三维打印快速成型机上，在铺展均匀的快速成型粉末材料的水平平面X和Y方向上（X和Y方向分别代表水平面的横向和纵向），然后在平面竖直Z方向上下降一定高度。再对下一层进行快速成型粉末材料的铺展，如此重复，全部加料完成后，温度升到85~100℃范围内，压力在1MPa~10MPa的范围内可直接成型。得到的产品有较高的抗压性、光泽度好。

Claims

1.一种3D打印无机粉末成型材料的制备方法，其特征在于，该方法具有以下工艺步骤：

(1)粉末材料预处理：在研磨机中，按质量百分浓度加入10％～30％的丙酮，加入62％～85％的粉末材料，开启研磨机，转速在500～1000转/分钟，室温研磨30～50min，再加入2％～10％的γ―(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，各组分之和为百分之百，转速在500～1000转/分钟，室温下继续研磨1～2h，得到预处理粉末材料；

(2)3D打印无机粉末成型材料制备：在反应器中，按质量百分浓度加入40％～65％的丙酮，加入2％～8％的聚乙烯醇缩甲醛，搅拌溶解，加入30％～55％的预处理粉末材料，各组分之和为百分之百，搅拌混合均匀，放入研磨机中，转速在500～1000转/分钟，常温混合研磨6～9h，然后喷雾干燥，得到3D打印无机粉末成型材料，所得到3D打印无机材料的粒径在0.5～1.0μm范围内。

2.根据权利要求1所述的一种3D打印无机粉末成型材料的制备方法，其特征是：所述的粉末材料为铝粉、陶土、滑石粉、铁粉、铜粉、氢氧化铝、二氧化硅、云母。

3.根据权利要求1所述的一种3D打印无机粉末成型材料的制备方法，其特征是：所述的粉末材料的粒径在0.4～0.9μm范围内。

4.根据权利要求1所述的一种3D打印无机粉末成型材料的制备方法，其特征是：在步骤(2)中所述的喷雾干燥，进风温度控制在80～120℃范围内。

5.根据权利要求1制备3D打印无机粉末成型材料在三维打印机上成型中的应用。