CN104552951A - 一种聚合物基梯度材料的3d打印制备方法 - Google Patents
一种聚合物基梯度材料的3d打印制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种聚合物基梯度材料的3D打印制备方法。步骤为：1）准备无机物组元和聚合物等原材料；2）建立聚合物基梯度材料的计算机三维示意图，切片处理，建立扫描路径；3）计算不同位置的组分配比；4）设置相应打印参数；5）启动打印设备进行3D打印，同时将无机颗粒和聚合物注入打印头，加热混合后按照设定轨迹、速度打印成形。本发明的优点是：通过计算机控制不同位置处的原料组分配比，从而真正意义上实现成分的梯度分布；3D打印技术为增材制备方法，与传统工艺相比，节省了原材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚合物基梯度材料的3D打印制备方法，属于材料制备领域。
背景技术
梯度功能材料与均一材料、复合材料不同，它是选用两种（或多种）性能不同的材料，通过连续地改变这两种（或多种）材料的组成和结构，使其界面消失导致材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化，形成梯度功能材料。
从材料的组合方式来看，梯度材料可分为金属/合金，金属/非金属，非金属/陶瓷、金属/陶瓷、陶瓷/陶瓷、金属/聚合物、陶瓷/聚合物等多种组合方式，因此可以获得多种特殊功能的材料。
聚合物基复合材料是以有机聚合物为基体，采用适当的工艺方法，把另外一种或以上物化性能不同的材料与之复合而成的一种多相固体材料。如果另外一种物相在聚合物基体中呈梯度变化分布，则构成聚合物基梯度材料。
聚合物基复合材料的制备方法很多，如：手糊成型、注射成型、挤出成型、拉挤成型、模压成型、喷射成型等。加工制备工艺比金属和陶瓷基复合材料简单的多，无需熔炼或者烧结过程，通过简单的复合固化工艺即可获得不同类型的聚合物基复合材料。
以上方法适用于普通的均质复合材料，但是梯度材料的制备却困难的多。目前梯度材料的制备方法主要有：化学气相沉积法、物理蒸发法、等离子喷涂法、颗粒梯度排列法、自蔓延高温合成法、液膜直接成法及薄膜浸渗成型法等。这些工艺都存在一定的局限性，因此都没有得到广泛的应用。因此梯度材料的制备也是限制梯度材料进一步发展的重要原因。
因此，如果能将成熟的聚合物基复合材料成型手段，用来制备聚合物基梯度材料，无疑具有重要的意义和广阔的发展前景。
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粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。目前用3D打印技术制备热塑性材料已经有较为成熟的工艺路线。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚合物基梯度材料的3D打印制备方法。
本发明的具体步骤为：
1）原料准备
将粒径为0.1~10μm的无机物组分经预处理后分别放入送料器内的送料筒中；将有机树脂放入送料器内另一个送料筒；
所述的无机物组分为ZrO2、SiC、炭黑、CaCO3、SiO2、Al2O3、铁粉、镍粉、铁氧体、稀土永磁；
所述的有机树脂为ABS树脂、聚乳酸、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛，聚碳酸酯；
2）建模
先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成厚度为20~100μm的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印；
3）计算配比
根据聚合物基梯度材料的成分设计要求，计算梯度结构件不同位置的无机物与有机聚合物的配比，以此为变量输入计算机，控制打印时不同位置的送粉比；
4）设置打印参数
设置打印速度为0.05~0.5m/s，打印分辨率20~100μm，为送粉量为0.02~5mm3/s；
5）3D打印
启动打印设备进行3D打印。送料器按照设定的配比送料进入打印头，加热打印头至170~300℃使送入的树脂融化并与无机物颗粒混合。打印头将具有流动性的混合物按照设定的轨迹、速度打印出。首先逐行打印形成面，再逐层打印形成三维聚合物基梯度材料。
本发明的优点是：
1）通过计算机严格控制不同位置处的原料组分配比，从而真正意义上实现成分的梯度分布；
2）采用3D打印将送料、熔化、混合、打印同时完成，提高了工作效率；
3）3D打印技术为增材制备方法，与传统工艺相比，节省了原材料，避免浪费。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细描述，以便更好地理解本发明的目的、特点和优点。虽然本发明是结合该具体的实施例进行描述，但并不意味着本发明局限于所描述的具体实施例。相反，对可以包括在本发明权利要求中所限定的保护范围内的实施方式进行的替代、改进和等同的实施方式，都属于本发明的保护范围。对于未特别标注的工艺参数，可按常规技术进行。
本发明采用的具体步骤如下：
1）原料准备
将粒径为0.1~10μm的无机物组分经预处理后分别放入送料器内的送料筒中；将有机树脂放入送料器内另一个送料筒；
所述的无机物组分为ZrO2、SiC、炭黑、CaCO3、SiO2、Al2O3、铁粉、镍粉、铁氧体、稀土永磁；
所述的有机树脂为ABS树脂、聚乳酸、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛，聚碳酸酯；
2）建模
先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成厚度为20~100μm的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印；
3）计算配比
根据聚合物基梯度材料的成分设计要求，计算梯度结构件不同位置的无机物与有机聚合物的配比，以此为变量输入计算机，控制打印时不同位置的送粉比；
4）设置打印参数
设置打印速度为0.05~0.5m/s，打印分辨率20~100μm，为送粉量为0.02~5mm3/s；
5）3D打印
启动打印设备进行3D打印。送料器按照设定的配比送料进入打印头，加热打印头至170~300℃使送入的树脂融化并与无机物颗粒混合。打印头将具有流动性的混合物按照设定的轨迹、速度打印出。首先逐行打印形成面，再逐层打印形成三维聚合物基梯度材料。
通过本发明可以制备成分在很大范围内变化的各种厚度的梯度材料，且成分连续变化。
实施例1：
本发明的步骤为：
1）原料准备
将粒径为0.1~10μm的ZrO2经预处理后分别放入送料器内的送料筒中；将ABS树脂放入送料器内另一个送料筒；
2）建模
先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成厚度为20μm的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印；
3）计算配比
根据聚合物基梯度材料的成分设计要求，计算梯度结构件不同位置的无机物与有机聚合物的配比，以此为变量输入计算机，控制打印时不同位置的送粉比；
4）设置打印参数
设置打印速度为0.05m/s，打印分辨率20μm，为送粉量为0.02mm3/s；
5）3D打印
启动打印设备进行3D打印。送料器按照设定的配比送料进入打印头，加热打印头至280℃使送入的ABS树脂融化并与ZrO2颗粒混合。打印头将具有流动性的混合物按照设定的轨迹、速度打印出。首先逐行打印形成面，再逐层打印形成三维聚合物基梯度材料。
对实例1所制备的样品进行电子探针线分析，发现其成分连续变化，ZrO2由一侧的100%减少到另一侧的0%，样品内部无宏观界面存在。
实施例2：
本发明的步骤为：
1）原料准备
将粒径为0.5μm的SiC组分经预处理后分别放入送料器内的送料筒中；将聚乳酸树脂放入送料器内另一个送料筒；
2）建模
先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成厚度为50μm的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印；
3）计算配比
根据聚合物基梯度材料的成分设计要求，计算梯度结构件不同位置的无机物与有机聚合物的配比，以此为变量输入计算机，控制打印时不同位置的送粉比；
4）设置打印参数
设置打印速度为0.1m/s，打印分辨率50μm，为送粉量为0.25mm3/s；
5）3D打印
启动打印设备进行3D打印。送料器按照设定的配比送料进入打印头，加热打印头至230℃使送入的聚乳酸树脂融化并与SiC颗粒混合。打印头将具有流动性的混合物按照设定的轨迹、速度打印出。首先逐行打印形成面，再逐层打印形成三维聚合物基梯度材料。
对实例2所制备的样品进行电子探针线分析，发现其成分连续变化，SiC由一侧的100%减少到另一侧的0%，样品内部无宏观界面存在。
实施例3：
本发明的步骤为：
1）原料准备
将粒径为1μm的炭黑经预处理后分别放入送料器内的送料筒中；将聚乙烯放入送料器内另一个送料筒；
2）建模
先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成厚度为100μm的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印；
3）计算配比
根据聚合物基梯度材料的成分设计要求，计算梯度结构件不同位置的无机物与有机聚合物的配比，以此为变量输入计算机，控制打印时不同位置的送粉比；
4）设置打印参数
设置打印速度为0.2m/s，打印分辨率100μm，为送粉量为2mm3/s；
5）3D打印
启动打印设备进行3D打印。送料器按照设定的配比送料进入打印头，加热打印头至260℃使送入的聚乙烯融化并与炭黑混合。打印头将具有流动性的混合物按照设定的轨迹、速度打印出。首先逐行打印形成面，再逐层打印形成三维聚合物基梯度材料。
对实例3所制备的样品进行电子探针线分析，发现其成分连续变化，炭黑由一侧的100%减少到另一侧的0%，样品内部无宏观界面存在。
实施例4：
本发明的步骤为：
1）原料准备
将粒径为3μm的CaCO3经预处理后分别放入送料器内的送料筒中；将聚丙烯树脂放入送料器内另一个送料筒；
2）建模
先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成厚度为20μm的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印；
3）计算配比
根据聚合物基梯度材料的成分设计要求，计算梯度结构件不同位置的无机物与有机聚合物的配比，以此为变量输入计算机，控制打印时不同位置的送粉比；
4）设置打印参数
设置打印速度为0.3m/s，打印分辨率20μm，为送粉量为0.12mm3/s；
5）3D打印
启动打印设备进行3D打印。送料器按照设定的配比送料进入打印头，加热打印头至170℃使送入的聚丙烯树脂融化并与CaCO3颗粒混合。打印头将具有流动性的混合物按照设定的轨迹、速度打印出。首先逐行打印形成面，再逐层打印形成三维聚合物基梯度材料。
对实例4所制备的样品进行电子探针线分析，发现其成分连续变化，CaCO3由一侧的100%减少到另一侧的0%，样品内部无宏观界面存在。
实施例5：
本发明的步骤为：
1）原料准备
将粒径为5μm的SiO2经预处理后分别放入送料器内的送料筒中；将聚氯乙烯树脂放入送料器内另一个送料筒；
2）建模
先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成厚度为50μm的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印；
3）计算配比
根据聚合物基梯度材料的成分设计要求，计算梯度结构件不同位置的无机物与有机聚合物的配比，以此为变量输入计算机，控制打印时不同位置的送粉比；
4）设置打印参数
设置打印速度为0.4m/s，打印分辨率50μm，为送粉量为1mm3/s；
5）3D打印
启动打印设备进行3D打印。送料器按照设定的配比送料进入打印头，加热打印头至200℃使送入的聚氯乙烯树脂融化并与SiO2颗粒混合。打印头将具有流动性的混合物按照设定的轨迹、速度打印出。首先逐行打印形成面，再逐层打印形成三维聚合物基梯度材料。
对实例5所制备的样品进行电子探针线分析，发现其成分连续变化，SiO2由一侧的100%减少到另一侧的0%，样品内部无宏观界面存在。
实施例6：
本发明的步骤为：
1）原料准备
将粒径为8μm的Al2O3经预处理后分别放入送料器内的送料筒中；将有聚苯乙烯机树脂放入送料器内另一个送料筒；
2）建模
先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成厚度为100μm的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印；
3）计算配比
根据聚合物基梯度材料的成分设计要求，计算梯度结构件不同位置的无机物与有机聚合物的配比，以此为变量输入计算机，控制打印时不同位置的送粉比；
4）设置打印参数
设置打印速度为0.5m/s，打印分辨率100μm，为送粉量为5mm3/s；
5）3D打印
启动打印设备进行3D打印。送料器按照设定的配比送料进入打印头，加热打印头至240℃使送入的聚苯乙烯树脂融化并与Al2O3颗粒混合。打印头将具有流动性的混合物按照设定的轨迹、速度打印出。首先逐行打印形成面，再逐层打印形成三维聚合物基梯度材料。
对实例6所制备的样品进行电子探针线分析，发现其成分连续变化，Al2O3由一侧的100%减少到另一侧的0%，样品内部无宏观界面存在。
实施例7：
本发明的步骤为：
1）原料准备
将粒径为0.1~10μm的铁粉经预处理后分别放入送料器内的送料筒中；将有聚甲醛机树脂放入送料器内另一个送料筒；
2）建模
先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成厚度为50μm的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印；
3）计算配比
根据聚合物基梯度材料的成分设计要求，计算梯度结构件不同位置的无机物与有机聚合物的配比，以此为变量输入计算机，控制打印时不同位置的送粉比；
4）设置打印参数
设置打印速度为0.3m/s，打印分辨率50μm，为送粉量为0.75mm3/s；
5）3D打印
启动打印设备进行3D打印。送料器按照设定的配比送料进入打印头，加热打印头至210℃使送入的聚甲醛树脂融化并与铁粉混合。打印头将具有流动性的混合物按照设定的轨迹、速度打印出。首先逐行打印形成面，再逐层打印形成三维聚合物基梯度材料。
对实例7所制备的样品进行电子探针线分析，发现其成分连续变化，铁由一侧的100%减少到另一侧的0%，样品内部无宏观界面存在。
实施例8：
本发明的步骤为：
1）原料准备
将粒径为0.1~10μm的镍粉经预处理后分别放入送料器内的送料筒中；将聚碳酸酯放入送料器内另一个送料筒；
2）建模
先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成厚度为20μm的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印；
3）计算配比
根据聚合物基梯度材料的成分设计要求，计算梯度结构件不同位置的无机物与有机聚合物的配比，以此为变量输入计算机，控制打印时不同位置的送粉比；
4）设置打印参数
设置打印速度为0.5m/s，打印分辨率20μm，为送粉量为0.2mm3/s；
5）3D打印
启动打印设备进行3D打印。送料器按照设定的配比送料进入打印头，加热打印头至300℃使送入的聚碳酸酯融化并与镍粉混合。打印头将具有流动性的混合物按照设定的轨迹、速度打印出。首先逐行打印形成面，再逐层打印形成三维聚合物基梯度材料。
对实例8所制备的样品进行电子探针线分析，发现其成分连续变化，镍由一侧的100%减少到另一侧的0%，样品内部无宏观界面存在。
实施例9：
本发明的步骤为：
1）原料准备
将粒径为8μm的MnZn铁氧体经预处理后分别放入送料器内的送料筒中；将ABS树脂放入送料器内另一个送料筒；
2）建模
先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成厚度为50μm的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印；
3）计算配比
根据聚合物基梯度材料的成分设计要求，计算梯度结构件不同位置的无机物与有机聚合物的配比，以此为变量输入计算机，控制打印时不同位置的送粉比；
4）设置打印参数
设置打印速度为0.1m/s，打印分辨率50μm，为送粉量为0.25mm3/s；
5）3D打印
启动打印设备进行3D打印。送料器按照设定的配比送料进入打印头，加热打印头至280℃使送入的ABS树脂融化并与MnZn铁氧体颗粒混合。打印头将具有流动性的混合物按照设定的轨迹、速度打印出。首先逐行打印形成面，再逐层打印形成三维聚合物基梯度材料。
对实例9所制备的样品进行电子探针线分析，发现其成分连续变化，MnZn铁氧体由一侧的100%减少到另一侧的0%，样品内部无宏观界面存在。
实施例10：
本发明的步骤为：
1）原料准备
将粒径为3μm的钕铁硼颗粒经预处理后分别放入送料器内的送料筒中；将聚乳酸放入送料器内另一个送料筒；
2）建模
先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成厚度为50μm的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印；
3）计算配比
根据聚合物基梯度材料的成分设计要求，计算梯度结构件不同位置的无机物与有机聚合物的配比，以此为变量输入计算机，控制打印时不同位置的送粉比；
4）设置打印参数
设置打印速度为0.5m/s，打印分辨率50μm，为送粉量为1.25mm3/s；
5）3D打印
启动打印设备进行3D打印。送料器按照设定的配比送料进入打印头，加热打印头至230℃使送入的聚乳酸融化并与钕铁硼颗粒混合。打印头将具有流动性的混合物按照设定的轨迹、速度打印出。首先逐行打印形成面，再逐层打印形成三维聚合物基梯度材料。
对实例10所制备的样品进行电子探针线分析，发现其成分连续变化，钕铁硼由一侧的100%减少到另一侧的0%，样品内部无宏观界面存在。
Claims (3)
1.一种聚合物基梯度材料的3D打印制备方法，其特征在于它的步骤为：
1）原料准备
将粒径为0.1~10μm的无机物组分经预处理后分别放入送料器内的送料筒中；将有机树脂放入送料器内另一个送料筒；
2）建模
先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成厚度为20~100μm的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印；
3）计算配比
根据聚合物基梯度材料的成分设计要求，计算梯度结构件不同位置的无机物与有机聚合物的配比，以此为变量输入计算机，控制打印时不同位置的送粉比；
4）设置打印参数
设置打印速度为0.05~0.5m/s，打印分辨率20~100μm，为送粉量为0.02~5mm3/s；
5）3D打印
启动打印设备进行3D打印；送料器按照设定的配比送料进入打印头，加热打印头至170~300℃使送入的树脂融化并与无机物颗粒混合；打印头将具有流动性的混合物按照设定的轨迹、速度打印出；先逐行打印形成面，再逐层打印形成三维聚合物基梯度材料。
2.根据权利要求1所述的一种聚合物基梯度材料的3D打印制备方法，其特征在于所述的无机物组分为ZrO2、SiC、炭黑、CaCO3、SiO2、Al2O3、铁粉、镍粉、铁氧体、稀土永磁。
3.根据权利要求1所述的一种聚合物基梯度材料的3D打印制备方法，其特征在于所述的有机树脂为ABS树脂、聚乳酸、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛，聚碳酸酯。
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| CN201510004370.7A CN104552951A (zh) | 2015-01-06 | 2015-01-06 | 一种聚合物基梯度材料的3d打印制备方法 |
Publications (1)
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