CN105001652B - 一种基于明胶的3dp打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于明胶的3DP打印方法，本发明所用的粉末材料由明胶、聚乙烯吡咯烷酮、颜料及抗氧化剂组成，固化剂由水、醋酸或甘油组成，通过控制3D打印工艺参数，使固化剂与粉末材料在指定的区域以特定的比例混合，混合后粉末材料产生聚合固化成型，未混合区域仍保持粉末状态，最后经过预加热和模型加热固化定型。本发明利用明胶的水溶性，在需要成型的区域喷洒固化剂使明胶粉末聚合固化，与其他3DP利用粘结剂将粉末粘结成型所不同。本发明具有原料易得且价格低廉、固化剂环保安全，不会污染原材料粉末无需脱除等优点。本发明成品几何精度及稳定性高、表面光洁度好，可用于展示模型及铸模。

Description

一种基于明胶的3DP打印方法

技术领域

本发明涉及一种基于明胶的3DP打印方法，属于快速成型的材料领域，更具体的讲，是一种用于3D打印中三维印刷（3DP）成型工艺的改性明胶材料及其工艺。

背景技术

3D打印是最近媒体对增材制造的技术的“俗称”。增材制造（additivemanufacturing AM）是依据三维CAD设计数据，采用离散材料（液体、粉末、丝、片、板、块等）逐层累加原理，制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除-切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。具体成形过程是：根据三维CAD模型，经过格式转化后，对零件进行分层切片，得到各层截面的两维轮廓形状。按照这些轮廓形状，用喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或用激光束选择性的固化或烧结一层层粉末，或光固化一层层的液态光敏树脂，形成每一层截面两维的平面轮廓形状，然后在一层层叠加成三维立体零件。近二十年来，增材制造取得了快速发展。现广泛应用的工艺有：光固化技术、熔融沉积成型技术、激光选择性烧结以及三维打印等。三维打印（3DP）作为增材制造的典型代表，被大量的应用于医疗、建筑、制造、科学研究等领域。

三维打印技术（3DP）是麻省理工的研究人员开发出的一种增材制造技术。该项增材制造技术对每个层面进行成形时，其加工工艺过程与普通的平面喷墨打印机相似，所以称它为三维打印。3DP工艺原理是以某种材料的粉末为原料，铺粉辊子将粉末均匀的铺在成型室中，铺粉完成后喷头在计算机的控制下在需要在成型区域喷洒一层粘结剂，粉末遇到粘结剂会迅速粘结固化，而没有粘结剂的区域仍保持松散状态。截面轮廓成型后，供粉室上升，成型室下降，铺粉辊子重新铺粉，喷头继续按照相应截面轮廓喷洒粘结剂，如此反复直至三维实体堆积完成，用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理 。3DP可以制造出不同材料的零件，包括合金、陶瓷等，这些材料可以制备出具有不同特征的样件，土耳其的Turker和德国的Godliski采用IN-718合金粉末进行三维打印为快速模具制造出高密度的打印件；美国的KathyLu和William T等人使用TiNiHf形状记忆合金粉末来打印网宽为300μm的细小网状结构的零件，得到了具有较高完整性和尺寸精度的打印件。专家预言3DP将掀起新一轮的工业革命，会改变人类未来的生活方式。

三维打印（3DP）能够大大提高原材料的利用率、设备体积小、材料类型广泛且原材料多以粉末的形式提供，易于搬运等优点。但一般粘结剂多为高分子材料，粘结剂成型时需要将粘结剂去除（如果粘结剂不脱除，后处理时会污染粉末材料），脱除粘结剂时的温度高（300-500度），在脱除的过程中会产生有害物质，以酚醛树脂为例，在高温情况下易分解产生一氧化碳和甲醛等，且在这个过程中成型件会产生收缩使得尺寸精度变差；另外粘结剂的脱除成型件内会产生大小不一的孔隙影响零件的容重；也会因为粘结剂脱除工艺不当而产生炭黑、开裂等缺陷；并且用于三维印刷的粉末材料价格比较昂贵，这就促使我们寻找一种便于操作、环保、价格低廉的3DP打印材料。

发明内容

针对现有技术原料昂贵、粘结剂不易脱除，且粘结剂脱除产生的气体污染环境的不足，本发明旨在提供一种基于明胶的3DP 打印方法，它具有原料易得 、价格低廉、固化剂环保安全且无需脱除等优点。

本发明包括以下步骤：

（1）、3DP 打印材料的配制：是由以下粉末按质量百分比混合而成：

明胶 80%~90%

聚乙烯吡咯烷酮(PVP) 8%~13%

颜料T430 1%~5%

巴斯夫抗氧化剂1076 1~5%。

粉末粒径范围45μm-106μm，中值粒径（D50）为75μm；

（2）、用于喷头喷射的固化剂由下述原料按容积百分比混合而成：

水 94~97%

醋酸或甘油 3%~6%。

（3）、3D打印：

将粉末状3DP 打印材料放在供粉室，用铺粉辊子将粉末在成型室中均匀的铺成一层，铺粉完成后，喷头（打印头）在计算机的控制下在需要成型的区域喷洒一层固化剂（过程与普通的平面喷墨打印机相似），粉末状3DP 打印材料遇到固化剂后迅速聚合固化，而没有固化剂的部分仍保持松散状态；截面成型后，供粉室上升一个截面厚度的距离，成型室下降一个截面厚度的距离，铺粉辊子重新铺粉，喷头（打印头）继续按照相应截面轮廓喷洒固化剂，一层一层往上堆积，最后喷洒了固化剂的部分成型三维实体，此时成型的三维实体不牢固，须进行后处理；所述固化剂和粉末材料的质量比为0.6~0.7：1。

本发明中采用多点喷射的商用打印头（惠普、爱普生），能够使固化剂在计算机的控制下均匀的喷射到需要成型的区域内，利于控制固化剂与粉末材料的比例，对于固化剂与粉末材料的比例的控制可以通过调节打印头X和Y方向移动速度、调节铺粉厚度等方法来实现，使其在本专利要求的范围内，

（4）、后处理：

预加热：将成型室整体放入加热炉中进行预加热，预加热的温度为40℃~45℃，预加热的时间为30-60min，且在加热过程中利用超声波加湿器，使炉内的湿度控制在80%-85%RH，然后用吸粉装置将成型箱内多余的粉末去除（多余的粉末可重复利用），此过程是为了明胶更好的吸收水份，使其粉末颗粒表面变粘，粉末粘在一起，成型件初步成型。

模型加热固化：将成型室内的成型件取出放入加热炉中进行加热，加热的温度为63℃~67℃，加热时间为120-180min，在加热过程利用超声波加湿器，使炉内的湿度控95%-100%RH，此过程是为了明胶粉末充分吸水，固化定型。

明胶：是一种无色无味、无挥发性、透明坚硬的非晶体物质，一般情况下为白色或淡黄色、半透明、微带光泽的薄片或粉粒。

聚乙烯吡咯烷酮简称PVP：是一种非离子型高分子化合物，是具有亲水性、易流动、白色或近乎白色的粉末，极易溶于水。

颜料T430：为珠光粉，是一种光泽性颜料。无毒，无味，耐酸碱，不易燃，不易爆，不导电，不迁移，易分散，满足严格的环保要求。

巴斯夫抗氧剂1076：是一种立体结构的受阻酚类抗氧剂，外观为白色粉末，熔点在50~55度。

本发明的有益效果是：

1）原材料价格低廉、易得、环保。

2）材料的制造工艺简单，容易操作。

3）后处理简单，只需低温固化，无需脱除固化剂。

4）成品几何精度及稳定性高、表面光洁度好，可用于展示模型及铸模。

具体实施方式

实施例1：

一、按如下组分配制材料：

3DP 打印材料的配制，质量百分比：

明胶 90%

聚乙烯吡咯烷酮 6%

巴斯夫抗氧剂1076 2%

颜料T430（蓝色） 2%

固化剂的配制，体积百分比：

水 94%

醋酸 6%

二、操作方法

1、将原料用粉碎机进行粉碎，然后过40目、200目、325目套筛，控制粉末的粒度在45-106微米以下, 按要求称量所需粒度以及相应比例的粉末；

2、将称好的明胶粉末、PVP、颜料、抗氧化剂放在V型混料机中进行混料，筒体转速为9rpm，混料时间为180min；将固化剂按比例配制完成备用，搅拌器转速为130rpm，搅拌时间为16min；

3、进行3DP打印，固化剂与粉末的质量比为0.6:1；

4、将打印整体放入加热炉中进行预加热，预加热温度为40°，预加热时间为60min，利用超声波加湿器，使炉内的湿度控80%-85%RH，然后用吸粉装置将多余的粉末去除；

5、成型品放入加热炉中进行加热，加热温度为65°，加热时间为140min，在加热过程利用超声波加湿器，使炉内的湿度控95%-100%RH。

实施例2：

一、按如下组分配制材料：

3DP 打印材料的配制，质量百分比：

明胶 88%

聚乙烯吡咯烷酮 7%

巴斯夫抗氧剂1076 3%

颜料T430（红色） 2%。

固化剂的配制，体积百分比：

水 93%

甘油 7%。

二、操作方法

1、将原料用粉碎机进行粉碎，然后过40目、200目、325目套筛，控制粉末的粒度在45-106微米以下, 按要求称量所需粒度以及相应比例的粉末；

2、将称好的明胶、PVP、颜料、抗氧化剂放在V型混料机中进行混料，筒体转速为7rpm，混料时间为200min；将固化剂按比例配制完成，磁力搅拌器转速为140rpm，搅拌时间为15min。

3、进行3DP打印，固化剂与粉末的质量比为0.7:1。

4、将打印整体放入加热炉中进行预加热，预加热温度为45°，预加热时间30min，利用超声波加湿器，使炉内的湿度控80%-85%RH，然后用吸粉装置将多余的粉末去除。

5、将成型品放入加热炉中进行加热，加热温度为62°，加热时间为150min，在加热过程在加热过程利用超声波加湿器，使炉内的湿度控95%-100%RH。

Claims (1)

1.一种基于明胶的3DP打印方法，该方法包括以下步骤：

(1)、3DP打印材料的配制：是由以下粉末按质量百分比混合而成：

所述的粉末粒径范围45μm-106μm，中值粒径(D50)为75μm；

(2)、用于喷头喷射的固化剂由下述原料按容积百分比混合而成：

水 94～97％

醋酸或甘油 3％～6％；

(3)、3D打印：

将粉末状3DP打印材料放在供粉室，用铺粉辊子将粉末在成型室中均匀的铺成一层，铺粉完成后，喷头在计算机的控制下在需要成型的区域喷洒一层固化剂，粉末状3DP打印材料遇到固化剂后迅速聚合固化，而没有固化剂的部分仍保持松散状态；截面成型后，供粉室上升一个截面厚度的距离，成型室下降一个截面厚度的距离，铺粉辊子重新铺粉，喷头继续按照相应截面轮廓喷洒固化剂，一层一层往上堆积，最后喷洒了固化剂的部分成型三维实体，此时成型的三维实体不牢固，须进行后处理；所述固化剂和粉末状3DP打印材料的质量比范围为0.6～0.7：1；

(4)、后处理：

预加热：将成型室整体放入加热炉中进行预加热，预加热的温度为40℃～45℃，预加热的时间为30-60min，且在加热过程中利用超声波加湿器，使炉内的湿度控制在80％-85％RH，然后用吸粉装置将成型箱内多余的粉末去除，此过程是为了明胶更好的吸收水份，使其粉末颗粒表面变粘，粉末粘在一起，成型件初步成型；

模型加热固化：将成型室内的成型件取出放入加热炉中进行加热，加热的温度为63℃～67℃，加热时间为120-180min，在加热过程利用超声波加湿器，使炉内的湿度控制在95％-100％RH，此过程是为了明胶粉末充分吸水，固化定型。