CN104096535B - 一种基于3d打印技术的高吸附性粉末材料成形工艺 - Google Patents

Abstract

一种基于3D打印技术的高吸附性粉末材料成形工艺，采用粉末3D打印工艺实现高吸附性粉末材料的快速成形，以电气石或硅藻土粉末为原材料，并能够根据用户需求进行的定制化生产，采用3D打印工艺进行高吸附性粉末材料成形，再结合适当的低温烧结后处理工艺，保证所成形零件具有一定的强度，以实现具有复杂结构的高吸附性粉末制品的快速制造，同时实现满足用户需求的环保工艺品的定制化制造，缩短高吸附性粉末制品的生产周期，降低生产成本，提高产品质量。

Description

一种基于3D打印技术的高吸附性粉末材料成形工艺

技术领域

本发明涉及高吸附性粉末材料成形技术领域，具体涉及一种基于3D打印技术的高吸附性粉末材料成形工艺。

背景技术

高吸附性粉末材料作为一种新型环保功能材料，具有过滤、分离、隔热等优良性能，并已开始被逐步推广应用于水处理，空气净化、人体保健等领域。在所有高吸附性粉末材料当中，性能最为优良且发展前景最为广阔的是以电气石或硅藻土为主要成分的粉末材料。

电气石是地球上矿物中唯一带有电气性能的一种材料，其成分主要包括Mg、Fe、Li、Al和Mn的硅酸盐矿物。添加电气石材料制备的高吸附性泡沫陶瓷和蜂窝陶瓷具有很强的净化作用，可用于饮用水的净化、废水污水的过滤处理和空气中有害物质的吸附祛除。目前对于电气石产品的开发和应用比较成熟的国家主要是日本、美国和韩国等几个发达国家，其中以日本最为代表，其电气石及相关产品的年市值在100亿美元以上，产品覆盖保健类、建材类、家电类以及化妆品类。鉴于国际上电气石产品市场的逐步扩大，国内也开始了电气石相关产品的开发和生产，市场正逐步被打开，具有广阔的发展前景和经济效益。

硅藻土是一种硅质岩，主要化学成分是SiO₂和少量的Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO等以及有机质。硅藻土材料表面本身有无数细孔，可吸附、分解空气中的异味，具有调湿、除臭功能。采用硅藻土为原料生产出来的粉末材料，不仅具有不燃、除湿、除臭和通透性好的特点，而且还能够净化空气、隔音、防水和隔热。我国硅藻土储量丰富，有3.2亿吨，远景储量更达20多亿吨，具有巨大的开发利用前景。

电气石材料和硅藻土材料虽然具有优良的性能和广泛的应用前景，但由于其原材料多为粉末材料，如何对粉末材料进行加工成型并满足不同消费者的个性化需求，是目前国内高吸附性能材料成形领域的难题。当前二者的成型方法主要以常规陶瓷烧结成型法为主，如中国专利(CN1244516C一种电气石特种陶瓷制品)和中国专利(CN103214229A一种硅藻土的成型方法)均采用电气石或硅藻土与助熔剂等其他助剂混合后高温烧结成型的方法。这种方法加工周期长，成本高，不能够实现复杂结构高吸附性能零件的制造，无法满足快速变化的市场需求。此外，高温烧结对于电气石材料和硅藻土材料自身的天然优良性能有一定的破坏，产品的质量也大打折扣。

粉末3D打印(3DP)是一种利用微滴喷射、粉末粘结技术的3D打印方法。喷头在计算机控制下，按照当前分层截面的信息，在事先铺好的一层粉末材料上，有选择性地喷射粘结剂，使部分粉末粘结，形成一层截面薄层；一层成形完后，工作台下降一个层厚，进行下一层的铺粉，继而选区喷射粘结剂，成形薄层同时也会与已成形零件粘为一体；不断循环此过程，直至零件加工完为止；该工艺的优势在于能够实现复杂结构零件的单件、小批量快速制造。

将粉末3D打印技术用于高吸附性粉末材料的成形加工，可以大大缩短产品开发周期，降低成本，实现具有高吸附性能的复杂蜂窝结构器件的制造，并可根据用户的需求进行定制化生产，实现具有环保功能的复杂造型工艺品成形，开辟具有环保效用的功能陶瓷新市场，具有很大的市场应用前景和经济效益。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于3D打印技术的高吸附性粉末材料成形工艺，以实现具有复杂结构的高吸附性粉末制品的快速制造，同时实现满足用户需求的环保工艺品的定制化制造，缩短高吸附性粉末制品的生产周期，降低生产成本，提高产品质量。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种基于3D打印技术的高吸附性粉末材料成形工艺，包括下列步骤：

1)将主料和辅料混合到一起，以质量分数计算，主料所占比例是10％～90％，主料为电气石或硅藻土粉末材料，辅料为石英、沸石粉末、氧化锆、氧化钛、镍粉或硼砂粉，电气石粉末或硅藻土粉末的目数为10目到200目；

2)将混好的粉末材料装入到3D打印设备的供粉缸9中，再将粘结剂存放在外供粘结剂盒1，粘结剂在微型泵2的驱动下，由导管3始终补充到喷印头4；

3)在计算机中建立所需的粉末制品的三维模型，并对该模型进行分层和数据处理；

4)然后，计算机读入当前层的工艺数据，通过控制二维运动平台5，带动喷印头支架6与其上的喷印头4，以及铺粉辊子7进行运动；

5)在二维运动平台5带动铺粉辊子7从供粉缸9端至成型缸8端运动过程中，铺粉辊子7将供粉缸9中的混合粉末推送到成型缸8中并铺平；

6)同时，喷印头4按照当前分层截面的信息，在成型缸8中事先铺好的一层粉末材料上，有选择性地喷射粘结剂，涂敷在部分粉末上，形成一层截面薄层；

7)如果采用的是光敏溶胶粘结剂，则在喷印头4喷射光敏溶胶粘结剂的同时，还需将紫外光10投射在粉末平面上，使涂敷在粉末表面的光敏溶胶粘结剂迅速固化，快速粘结，所述的紫外光10来源于机器内腔上安装的紫外灯，或来自安装于喷印头支架6跟随运动的紫外光源；

8)完成当前层的粘结后，二维运动平台5带动喷印头4回到供粉缸9不临近成型缸8的一端，然后供粉缸9上升一个分层厚度，成型缸8下降一个分层厚度；

9)重复步骤4)～步骤8)，直至零件完成；

10)取出已经完整成型的零件，进行清沙等后处理；

11)若对成形零件力学性能有高要求，辅料中加入质量分数占其0.1％～10％的陶土助熔剂，在清理表面残余粉末后，在不破坏材料吸附性能的条件下，对制品进行低温烧结，烧结温度低于800℃，获得具有一定力学性能的高吸附性能制品。

由于本发明采用粉末3D打印工艺实现高吸附性粉末材料的快速成形，以电气石或硅藻土粉末为原材料，实现传统加工方法难以实现的复杂结构器件的制造，并能够根据用户需求进行的定制化生产。采用3D打印工艺进行高吸附性粉末材料成形，再结合适当的低温烧结后处理工艺，保证所成形零件具有一定的强度，克服常规高温烧结成型工艺过程中的对材料吸附性能的影响，实现具有高吸附性能的功能零件快速制造。

附图说明

图1是采用以电气石或硅藻土粉末为主料成型的多孔结构零件。

图2是本发明所采用的工艺方法示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

一种基于3D打印技术的高吸附性粉末材料成形工艺，包括下列步骤：

1)参照图1，将主料和辅料混合到一起，以质量分数计算，主料所占比例是10％～90％，主料为电气石或硅藻土粉末材料，辅料为石英、沸石粉末、氧化锆、氧化钛、镍粉或硼砂粉，电气石粉末或硅藻土粉末的目数为10目到200目，这样的混合粉末能够成型出具有高吸附性能的零件；

2)参照图2，将混好的粉末材料装入到3D打印设备的供粉缸9中，再将粘结剂存放在外供粘结剂盒1，粘结剂在微型泵2的驱动下，由导管3始终补充到喷印头4；

3)在计算机中建立所需的粉末制品的三维模型，并对该模型进行分层和数据处理；

4)然后，计算机读入当前层的工艺数据，通过控制二维运动平台5，带动喷印头支架6与其上的喷印头4，以及铺粉辊子7进行运动；

5)在二维运动平台5带动铺粉辊子7从供粉缸9端至成型缸8端运动过程中，铺粉辊子7将供粉缸9中的混合粉末推送到成型缸8中并铺平；

6)同时，喷印头4按照当前分层截面的信息，在成型缸8中事先铺好的一层粉末材料上，有选择性地喷射粘结剂，涂敷在部分粉末上，形成一层截面薄层；

7)如果采用的是光敏溶胶粘结剂，则在喷印头4喷射光敏溶胶粘结剂的同时，还需将紫外光10投射在粉末平面上，使涂敷在粉末表面的光敏溶胶粘结剂迅速固化，快速粘结，所述的紫外光10来源于机器内腔上安装的紫外灯，或来自安装于喷印头支架6跟随运动的紫外光源；

8)完成当前层的粘结后，二维运动平台5带动喷印头4回到供粉缸9不临近成型缸8的一端，然后供粉缸9上升一个分层厚度，成型缸8下降一个分层厚度；

9)重复步骤4)～步骤8)，直至零件完成；

10)取出已经完整成型的零件，进行清沙等后处理；

11)若对成形零件力学性能有高要求，辅料中加入质量分数占其0.1％～10％的陶土助熔剂，在清理表面残余粉末后，在不破坏材料吸附性能的条件下，对制品进行低温烧结，烧结温度低于800℃，获得具有一定力学性能的高吸附性能制品。

由于本发明采用粉末3D打印工艺实现高吸附性粉末材料的快速成形，以电气石或硅藻土粉末为原材料，实现传统加工方法难以实现的复杂结构器件的制造，并能够根据用户需求进行的定制化生产。采用3D打印工艺进行高吸附性粉末材料成形，再结合适当的低温烧结后处理工艺，保证所成形零件具有一定的强度，克服常规高温烧结成型工艺过程中的对材料吸附性能的影响，实现具有高吸附性能的功能零件快速制造。

Claims (1)

1.一种基于3D打印技术的高吸附性粉末材料成形工艺，其特征在于，包括下列步骤：

1)将主料和辅料混合到一起，以质量分数计算，主料所占比例是10％～90％，主料为电气石或硅藻土粉末材料，辅料为石英、沸石粉末、氧化锆、氧化钛、镍粉或硼砂粉，电气石粉末或硅藻土粉末的目数为10目到200目；

2)将混好的粉末材料装入到3D打印设备的供粉缸(9)中，再将粘结剂存放在外供粘结剂盒(1)，粘结剂在微型泵(2)的驱动下，由导管(3)始终补充到喷印头(4)；

3)在计算机中建立所需的粉末制品的三维模型，并对该模型进行分层和数据处理；

4)然后，计算机读入当前层的工艺数据，通过控制二维运动平台(5)，带动喷印头支架(6)与其上的喷印头(4)，以及铺粉辊子(7)进行运动；

5)在二维运动平台(5)带动铺粉辊子(7)从供粉缸(9)端至成型缸(8)端运动过程中，铺粉辊子(7)将供粉缸(9)中的混合粉末推送到成型缸(8)中并铺平；

6)同时，喷印头(4)按照当前分层截面的信息，在成型缸(8)中事先铺好的一层粉末材料上，有选择性地喷射粘结剂，涂敷在部分粉末上，形成一层截面薄层；

7)如果采用的是光敏溶胶粘结剂，则在喷印头(4)喷射光敏溶胶粘结剂的同时，还需将紫外光(10)投射在粉末平面上，使涂敷在粉末表面的光敏溶胶粘结剂迅速固化，快速粘结，所述的紫外光(10)来源于机器内腔上安装的紫外灯，或来自安装于喷印头支架(6)跟随运动的紫外光源；

8)完成当前层的粘结后，二维运动平台(5)带动喷印头(4)回到供粉缸(9)不临近成型缸(8)的一端，然后供粉缸(9)上升一个分层厚度，成型缸(8)下降一个分层厚度；

9)重复步骤4)～步骤8)，直至零件完成；

10)取出已经完整成型的零件，进行清沙后处理；

11)若对成形零件力学性能有高要求，辅料中加入质量分数占其0.1％～10％的陶土助熔剂，在清理表面残余粉末后，在不破坏材料吸附性能的条件下，对制品进行低温烧结，烧结温度低于800℃，获得具有一定力学性能的高吸附性能制品。