CN104693579A - 激光烧结3d打印用复合改性蜡粉及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种激光烧结3D打印用复合改性蜡粉，由蜡粉基料、硬脂酸或硬脂酸盐、白炭黑、炭黑和短切碳纤维混合组成，其中的蜡粉基料为环球软化点60～105℃、平均相对分子质量1500～4000的聚乙烯蜡，由粒径30～100μm的粗级蜡粉基料与粒径1～30μm的细级蜡粉基料混合组成，且细级蜡粉基料占蜡粉基料总质量的20～40%。使用本发明制备的激光烧结3D打印用复合改性蜡粉可以显著改善蜡粉在激光烧结3D打印过程中的静电吸附、静电团聚现象，制作的蜡模尺寸精度和强度均可以达到熔模铸造蜡型的要求。

Description

激光烧结3D打印用复合改性蜡粉及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种改性蜡粉材料，特别是涉及一种用于激光烧结3D打印的蜡粉材料，以及该蜡粉材料的制备方法。

背景技术

目前通过激光烧结3D打印工艺制作精密铸造熔模的主要材料是聚苯乙烯粉末。由于聚苯乙烯熔模必须采用高温燃烧进行脱模处理，造成冒黑烟以及产生大量刺激性有毒气体，严重污染环境，而且还会在型壳内形成积炭等灰份残留，严重影响铸件质量。这些问题都限制了聚苯乙烯材料在激光烧结3D打印技术中的推广应用。

以蜡粉代替聚苯乙烯，通过激光烧结3D打印工艺制作蜡模，在熔模铸造工艺中，可以通过蒸汽脱蜡，减少环境污染。但目前现有的单一组分蜡粉存在铺粉团聚、熔化冷凝后收缩变形大、蜡模强度低等问题，并不适用于激光烧结3D打印工艺。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光烧结3D打印用复合改性蜡粉，以减少蜡粉的静电团聚及在激光烧结过程中的收缩变形，满足高精度高强度蜡模的制作要求。

本发明的目的还在于提供一种该激光烧结3D打印用复合改性蜡粉的制备方法。

本发明所述的激光烧结3D打印用复合改性蜡粉是由下述质量百分比的组份混合得到：

蜡粉基料　　　　　　　　85～95%；

硬脂酸或硬脂酸盐　　　　2～12%；

白炭黑　　　　　　　　　0.2～1.2%；

炭黑　　　　　　　　　　0.2～1.2%；

短切碳纤维　　　　　　　0.2～1.2%。

其中，所述的蜡粉基料为环球软化点60～105℃、平均相对分子质量1500～4000的聚乙烯蜡。本发明所述复合改性蜡粉主要用于铸造蜡模的制作，考虑到在熔模铸造工艺中，要通过热水法或蒸汽法将型壳中的3D打印蜡模熔失，所以选用熔点较低的低分子量蜡粉。

本发明中，所述蜡粉基料采用双粒径级配，由粒径30～100μm的粗级蜡粉基料与粒径1～30μm的细级蜡粉基料混合组成，且细级蜡粉基料占蜡粉基料总质量的20～40%。

更进一步地，所述的蜡粉基料中，细级蜡粉基料的平均粒径/粗级蜡粉基料的平均粒径≤0.45。

通过以上双粒径级配，可以获得最佳的蜡粉基料颗粒级配，使蜡粉基料的颗粒排列更加紧密，堆积密度更高，具有远大于单独的大、小颗粒蜡粉分别填充时的堆积密度，而且在铺粉后粉床的空隙率大辐减小，可以减小10%以上。

本发明所述复合改性蜡粉中采用硬脂酸或硬脂酸盐作为表面活性剂，硬脂酸或硬脂酸盐与蜡粉具有很好的相容性，并可以提高复合改性蜡粉的流动性，使得铺粉密度进一步提高。

白炭黑既是抗结剂，又是自由流动剂。蜡粉在存储、运输和3D打印过程中非常容易发生结块，在激光烧结3D打印铺粉过程中也容易粘结在铺粉辊子上，影响粉床的平整性。在复合改性蜡粉中适量添加白炭黑，则可以很好地解决上述问题。

短切碳纤维一般长20～100μm，直径1～15μm，添加在复合改性蜡粉中，可以提高蜡粉成型件的强度，而在焙烧时短切碳纤维又可以迅速氧化为CO和CO₂气体逸出，不产生灰分。

此外，本发明所述复合改性蜡粉中，由炭黑和短切碳纤维共同组合成为防静电团聚复合填料。炭黑和短切碳纤维均为良好的碳基导电材料，但单独使用其中一种时，往往不能使材料兼顾近程导电能力与远程导电能力。而在蜡粉基料中填充入球形和纤维状两种不同形状的导电粒子，则不同材料之间更易形成接触点，从而进一步提高复合材料的导电能力。

优选地，本发明复合改性蜡粉中的短切碳纤维使用的是经过表面氧化处理后的短切碳纤维。具体地，是以浓硝酸对短切碳纤维进行表面氧化处理。

将上述各种组分按照所述质量百分比混合均匀，即可得到本发明所述的激光烧结3D打印用复合改性蜡粉。

进而，为了制备得到使用效果更好的复合改性蜡粉，优选采用以下制备方法制备复合改性蜡粉：先将粗级蜡粉基料与硬脂酸或硬脂酸盐、白炭黑、炭黑和短切碳纤维按照所述质量百分比混合，再加入所述质量百分比的细级蜡粉基料，混合均匀得到激光烧结3D打印用复合改性蜡粉。

由于细级蜡粉基料的粒度较小，更容易静电团聚，所以先将粗级蜡粉基料与其他填料混合，明显改善静电团聚情况后，再添加细级蜡粉基料进行混合。

本发明上述制备方法中所使用的短切碳纤维是经过表面氧化处理的短切碳纤维，具体是在常温下，将所述短切碳纤维在浓硝酸中浸泡处理5～24h。浸泡过程中施以搅拌，然后抽滤干燥。经过上述浓硝酸氧化处理后，碳纤维表面产生了羧基等极性基团，并使其光滑表面产生刻蚀，降低了碳纤维的表面能，使其在蜡粉基料中分布更加均匀，利于提高复合改性蜡粉的力学性能和抗静电团聚能力。

由于本发明使用的蜡粉基料为低分子量低熔点蜡粉，为防止混合过程中热量集聚引起蜡粉软化和相互粘结，本发明制备方法优选将各组分在混合机中采用间歇多次混合的方式进行混合，每次混合时间不超过5min，总混合时间不少于20min，混合机转速≤200r/min。

使用本发明制备的激光烧结3D打印用复合改性蜡粉，可以显著改善蜡粉在激光烧结3D打印过程中的静电吸附、静电团聚现象；通过激光3D打印工艺制作的蜡模尺寸精度和强度均可以达到熔模铸造蜡型的要求。

本发明采用双粒径级配，可以明显提高蜡粉的铺粉密度，比粉碎法制备的蜡粉提高至少10%以上；铺粉密度提高后，蜡粉在激光3D打印工艺中经过熔化和冷凝过程后收缩减小，保证了蜡模的尺寸精度。本发明通过改变短切碳纤维的表面性质，使其与蜡粉的相容性得到改善，使碳纤维可以均匀分布在蜡模中，蜡模受到拉应力时，基体将载荷传递给模量高、强度大的碳纤维，从而提高了蜡模的强度。碳纤维再与炭黑复配，进一步提高了复合材料的导电性能，解决了蜡粉静电团聚的问题。

具体实施方式

实施例1

将1000g粒径90～100μm的粗级蜡粉与50g硬脂酸、5g白炭黑、10g炭黑、10g短切碳纤维在混合机中以100r/min的转速进行混合，共混合10次，每次混合3分钟；再加入350g粒径20～30μm的细级蜡粉，在混合机中重复以上混合过程10次，得到激光烧结3D打印用复合改性蜡粉。

实施例2

将1000g粒径40～45μm的粗级蜡粉与100g硬脂酸、10g白炭黑、5g炭黑、5g短切碳纤维在混合机中以150r/min的转速进行混合，共混合8次，每次混合5分钟；再加入500g粒径10～20μm的细级蜡粉，在混合机中重复以上混合过程8次，得到激光烧结3D打印用复合改性蜡粉。

实施例3

将1000g粒径70～90μm的粗级蜡粉与80g硬脂酸、15g白炭黑、15g炭黑、15g短切碳纤维在混合机中以200r/min的转速进行混合，共混合15次，每次混合2分钟；再加入400g粒径10～30μm的细级蜡粉，在混合机中重复以上混合过程15次，得到激光烧结3D打印用复合改性蜡粉。

实施例4

将1000g粒径30～40μm的粗级蜡粉与200g硬脂酸、20g白炭黑、20g炭黑、10g短切碳纤维在混合机中以120r/min的转速进行混合，共混合5次，每次混合4分钟；再加入600g粒径1～10μm的细级蜡粉，在混合机中重复以上混合过程5次，得到激光烧结3D打印用复合改性蜡粉。

Claims (9)

1.一种激光烧结3D打印用复合改性蜡粉，由下述质量百分比的组份混合得到：

蜡粉基料　　　　　　　　85～95%；

硬脂酸或硬脂酸盐　　　　2～12%；

白炭黑　　　　　　　　　0.2～1.2%；

炭黑　　　　　　　　　　0.2～1.2%；

短切碳纤维　　　　　　　0.2～1.2%；

其中，所述的蜡粉基料为环球软化点60～105℃、平均相对分子质量1500～4000的聚乙烯蜡，由粒径30～100μm的粗级蜡粉基料与粒径1～30μm的细级蜡粉基料混合组成，且细级蜡粉基料占蜡粉基料总质量的20～40%。

2.根据权利要求1所述的复合改性蜡粉，其特征是所述的蜡粉基料中，细级蜡粉基料平均粒径/粗级蜡粉基料平均粒径≤0.45。

3.根据权利要求1所述的复合改性蜡粉，其特征是所述的短切碳纤维是经表面氧化处理的短切碳纤维。

4.根据权利要求3所述的复合改性蜡粉，其特征是以浓硝酸对短切碳纤维进行表面氧化处理。

5.权利要求1所述激光烧结3D打印用复合改性蜡粉的制备方法，是先将粗级蜡粉基料与硬脂酸、白炭黑、炭黑和短切碳纤维按照所述质量百分比混合，再加入所述质量百分比的细级蜡粉基料，混合均匀得到激光烧结3D打印用复合改性蜡粉。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征是在常温下以浓硝酸对所述短切碳纤维进行表面氧化处理。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征是将所述短切碳纤维在浓硝酸中常温浸泡处理5～24h。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征是所述的混合采用间歇多次混合，每次混合时间不超过5min，总混合时间不少于20min。

9.根据权利要求5或8所述的制备方法，其特征是所述混合的转速≤200r/min。