CN104129083B - 一种提高3d打印高分子材料零件性能的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高3D打印高分子材料零件性能的处理方法，将3D打印的高分子材料零件进行一次深冷处理，一次深冷处理完成后进行自然冷却，自然冷却后再次进行二次深冷处理，二次深冷处理后连续进行回火处理。本方法在超低温环境中，分子运动变得缓慢，整个分子链内部能量显著增加，高分子微观结构变得更致密、有序，而且整个材料结构变得更加平衡，因此材料的力学性得到很大改善。由于对高分子材料进行深冷处理，材料内高分子链变得更加有序排列，晶粒尺寸变小，结晶度增加，从而导致高分子材料的耐磨性能、抗弯曲性能和抗拉强度得到很大的改善。本方法处理后的3D打印高分子材料的力学性能明显增强，能够更广泛的应用于工业生产需求。

Description

一种提高3D打印高分子材料零件性能的处理方法

技术领域

本发明涉及一种提高高分子零件性能的处理方法，尤其涉及一种提高3D打印高分子零件性能的处理方法。

背景技术

3D打印技术正在快速改变传统的生产方式和生活方式，作为战略性新兴产业，美国、德国等发达国家高度重视并积极推广该技术。不少专家认为，以数字化、网络化、个性化、定制化为特点的3D打印技术为代表的新制造技术将推动第三次工业革命。3D打印技术其源可以追溯到快速成型技术，从3D计算机辅助设计（3DCAD）发展开始，人们就希望方便地将设计直接转化为实物。而3D打印技术，就是在计算机中将3DCAD模型分成若干层，通过3D打印设备在一个平面上按照3DCAD层图形，将塑料、金属甚至生物组织活性细胞等材料烧结或者黏合在一起，然后再一层一层的叠加起来。通过每一层不同的图形的累积，最后形成一个三维物体。3D打印即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印技术的应用领域也在随着技术的进步而不断扩展，包括生活用品、机械设备和生物医用材料。

但是，在机械应用中，材料不可避免的要进行摩擦。由于3D打印是增材制造，层与层之间存在着内部组织不致密等问题，因而3D打印的高分子材料在韧性、耐磨性和机械加工性能等方面远不如浇注零件，目前主要用于一般要求较低、专业性不强，以及精度要求不高的部件。

深冷处理又称超低温处理,是指在-130℃以下，使其材料的微观组织结构、物相结构发生改变，这种改变微观上表现为结晶度和晶粒大小的改变，宏观上表现为材料耐磨性、韧性和尺寸稳定性方面的改善和增强，从而达到提高和强化材料性能的目的，是常规热处理的延伸。而且操作简便、不破坏工件、无污染、成本低，因此具有可观的经济效益和市场前景。到目前为止，还未见有采用深冷处理来提高3D打印高分子材料力学性能的文献报道。

因此，研发一种采用深冷处理技术提高3D打印高分子材料力学性能具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种提高3D打印高分子材料力学性能的处理方法，通过该方法处理后的3D打印高分子材料的力学性明显增强。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种提高3D打印高分子材料零件性能的处理方法，其创新点在于：将3D打印的高分子材料零件进行一次深冷处理，一次深冷处理完成后进行自然冷却，自然冷却后再次进行二次深冷处理，二次深冷处理后连续进行回火处理。

进一步的，所述一次深冷处理为将3D打印的高分子材料零件放入深冷装置中，控制冷却速度0.5～10℃/min，冷却温度为﹣130～﹣253℃，保温5～36h。

进一步的，所述自然冷却为将深冷处理的3D打印高分子材料置于空气中，自然冷却到室温。

进一步的，所述二次深冷处理将自然冷却的3D打印的高分子材料零件再次放入深冷装置中，控制冷却速度4.5～7.5℃/min，冷却温度为﹣155～﹣205℃，保温16～22h。

进一步的，所述回火处理为将二次深冷处理后的金属件以8～16℃/min的升温速度升至室温，然后在时间间隔小于25min内进行回火处理，设置回火处理时的加热温度在150～180℃之间，保温2～5h，最后将3D打印金属件置于空气中，自然冷却到室温。

进一步的，所述深冷装置中的深冷介质为液氮或液氦。

进一步的，所述一次深冷处理步骤中冷却速率为1℃/min，冷却温度为-185℃，保温时间为12h。

进一步的，所述高分子材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、生物降解塑料聚乳酸、耐冲击性聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚碳酸酯、聚四氟乙烯或尼龙。

本发明的有益效果如下：

（1）在超低温环境中，分子运动变得缓慢，整个分子链内部能量显著增加，高分子微观结构变得更致密、有序，而且整个材料结构变得更加平衡，因此材料的力学性能得到很大的改善。

（2）由于对高分子材料进行深冷处理，材料内高分子链变得更加有序排列，晶粒尺寸变小，结晶度增加，从而导致高分子材料的耐磨性能、抗弯曲性能和抗拉强度得到很大的改善。其中耐磨损能力提高50%以上；抗冲击韧性提高10%～20%；拉伸强度提高15%左右。

（3）本方法处理后的3D打印高分子材料的力学性能明显增强，能够更广泛的应用于工业生产需求。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作详细说明。

实施例1

二次深冷处理将自然冷却的3D打印的高分子材料零件再次放入深冷装置中，控制冷却速度4.5～7.5℃/min，冷却温度为﹣155～﹣205℃，保温16～22h。

回火处理为将二次深冷处理后的金属件以8～16℃/min的升温速度升至室温，然后在时间间隔小于25min内进行回火处理，设置回火处理时的加热温度在150～180℃之间，保温2～5h，最后将3D打印金属件置于空气中，自然冷却到室温。

将利用聚乙烯醇（PVA）进行3D打印的零件放入深冷处理装置中，降温至-196℃并恒温18ｈ,深冷处理完将零件置于空气中，自然冷却升温到室温，其中降温度速率设置为0.5℃/min。

将自然冷却的金属件再次放入深冷处理装置中，控制冷却速度4.5℃/min，冷却温度为﹣155℃，保温16h。

将二次深冷处理后的金属件以8℃/min的升温速度升至室温，然后在时间间隔小于25min内进行回火处理，设置回火处理时的加热温度在150℃之间，保温2h，最后将3D打印金属件置于空气中，自然冷却到室温。

基于本实施例处理过的3D打印的PVA材料，力学性能得到显著增强，尤其是高分子材料的韧性和耐磨性得到很好的改善，经检测，其拉伸强力提高8～10%，耐磨性提高10～20%。

实施例2

将利用尼龙（PA）进行3D打印的零件放入加有液氮的深冷处理装置中，将其从室温条件下，以10℃/min降温至-185℃并恒温12h。

再将高分子材料置于空气中，自然冷却升温到室温。

将自然冷却的金属件再次放入深冷装置中，控制冷却速度6℃/min，冷却温度为﹣185℃，保温18h。

将二次深冷处理后的金属件以13℃/min的升温速度升至室温，然后在时间间隔小于25min内进行回火处理，设置回火处理时的加热温度在168℃之间，保温3.5h，最后将3D打印金属件置于空气中，自然冷却到室温。

基于本实施例处理过的尼龙耐摩擦性能提高了40%，抗拉强度提高了5～10%左右。

实施例3

将利用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）放入到深冷处理设备中，以0.5℃/min的速度冷却至-190℃，并恒温23小时，再自然冷却升温至室温。

将自然冷却的金属件再次放入深冷装置中，控制冷却速度7.5℃/min，冷却温度为﹣205℃，保温22h。

将二次深冷处理后的金属件以16℃/min的升温速度升至室温，然后在时间间隔小于25min内进行回火处理，设置回火处理时的加热温度在180℃之间，保温5h，最后将3D打印金属件置于空气中，自然冷却到室温。

基于本实施例处理过的ABS，经拉伸试验和抗弯曲试验可知，其抗拉强度提高了和抗弯曲能力都提高了20%，其力学性能得到了很大的改善。

Claims (4)

1.一种提高3D打印高分子材料零件性能的处理方法，其特征在于：将3D打印的高分子材料零件进行一次深冷处理，一次深冷处理完成后进行自然冷却，自然冷却后再次进行二次深冷处理，二次深冷处理后连续进行回火处理；

所述一次深冷处理为将3D打印的高分子材料零件放入深冷装置中，控制冷却速度0.5～10℃/min，冷却温度为﹣130～﹣253℃，保温5～36h；

所述自然冷却为将深冷处理的3D打印高分子材料零件置于空气中，自然冷却到室温；

所述二次深冷处理将自然冷却的3D打印的高分子材料零件再次放入深冷装置中，控制冷却速度4.5～7.5℃/min，冷却温度为﹣155～﹣205℃，保温16～22h；

所述回火处理为将二次深冷处理后的高分子材料零件以8～16℃/min的升温速度升至室温，然后在时间间隔小于25min内进行回火处理，设置回火处理时的加热温度在150～180℃之间，保温2～5h，最后将3D打印高分子材料零件置于空气中，自然冷却到室温。

2.根据权利要求1所述的提高3D打印高分子材料零件性能的处理方法，其特征在于：所述深冷装置中的深冷介质为液氮或液氦。

3.根据权利要求1所述的提高3D打印高分子材料零件性能的处理方法，其特征在于：所述一次深冷处理步骤中冷却速率为1℃/min，冷却温度为-185℃，保温时间为12h。

4.根据权利要求1所述的提高3D打印高分子材料零件性能的处理方法，其特征在于：所述高分子材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、生物降解塑料聚乳酸、耐冲击性聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚碳酸酯、聚四氟乙烯或尼龙。