CN105670278A - 一种3d打印金属pa-12复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于3D打印技术领域，尤其是涉及一种3D打印金属PA-12复合材料及其制备方法；所述的3D打印金属PA-12复合材料，由下述重量份的原料制得：铜粉250-330份，PA-12尼龙材料670-750份，偶联剂2-5份，分散剂5-15份，润滑剂5-10份，增韧剂18-25份；本发明通过对PA-12尼龙材料的改进，使得打印出来的物品具有金属质感，同时，有效的提高了材料的力学性能，增加打印制品的抗拉伸强度和抗弯曲强度，减小打印时产生的翘曲。

Description

一种3D打印金属PA-12复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，尤其是涉及一种3D打印金属PA-12复合材料及其制备方法。
背景技术
3D打印又称为快速成型技术，也称为增材制造技术，是一种不需要传统刀具、夹具和机床，而是以数字模型文件为基础，使用金属粉末或塑料等具有勃合性的材料逐层打印来制造任意形状物品的技术。3D打印机可以制造的物品很多，如飞机、手枪，再如食物、人体器官、儿童玩具等。3D打印技术是最近20年来世界制造技术领域的一次重大突破，是机械工程、计算机技术、数控技术、材料科学等多学科技术的集成。其中，3D打印技术中最难最核心的技术是打印材料的开发，因此开发更为多样多功能的3D打印材料成为未来研究与应用的热点与关键。
目前的3D打印材料多使用纯塑料，塑料感强，亲和性差。其中，在尼龙材料中，由于PA-12具有极低的吸湿率、优良的机械强度、耐磨、减摩及良好的耐腐性能及加工性等，在3D打印新产品的研制开发、模具制造、小批量产品的生产等方面具有广阔前景。现有的相关PA-12材料的3D打印技术主要是基于选择性激光烧结方面，选择性激光烧结技术(SLS)是采用红外激光烧结粉末材料成型的一种快速成型技术。该技术可将固体粉末材料直接成型为三维实体零件，不受成型零件形状复杂程度的限制，不需任何工装模具。在新产品的研制开发、模具制造、小批量产品的生产等方面均有广阔前景，国外已有大量的应用实例。
然而，由于PA-12的收缩率较大，成型过程中易产生翘曲变形；对于性能要求高的功能件，PA-12在强度、模量、热变形温度等方面还有待于进一步提高。因此，有必要提供对现有的PA-12复合材料进行进一步的改进，以解决上述问题。
发明内容
针对以上技术问题，本发明设计开发了一种3D打印金属PA-12复合材料及其制备方法，通过对PA-12尼龙材料的改进，使得打印出来的物品具有金属质感，同时，有效的提高了材料的力学性能，降低了材料的收缩率，减小打印时产生的翘曲。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种3D打印金属PA-12复合材料，由下述重量份的原料制得：铜粉250-330份，PA-12尼龙材料140-180份，偶联剂2-5份，分散剂5-15份，润滑剂5-10份，增韧剂18-25份。
作为优选，所述3D打印金属PA-12复合材料的最佳组成为：铜粉300份，PA-12尼龙材料150份，偶联剂3份，分散剂10份，润滑剂6份，增韧剂20份。
上述3D打印金属PA-12复合材料的制备方法，包括以下具体步骤：
步骤1：准备铜粉、PA-12尼龙材料、偶联剂、分散剂、润滑剂和增韧剂材料，将各原料烘干备用，使各原料含水率小于0.05％；
步骤2：按照重量份称量铜粉250-330份，PA-12尼龙材料140-180份，偶联剂2-5份，分散剂5-15份，润滑剂5-10份，增韧剂18-25份；
步骤3：将步骤2称量的铜粉加入球磨机，待温度升至90℃，加入步骤2称重的偶联剂继续混合10分钟，之后加入步骤2称重的分散剂、润滑剂继续混合10分钟，最后加入步骤2称量的PA12尼龙材料、增韧剂继续混合120分钟，温度保持在150℃；
步骤4：将步骤3中得到的混合料用双螺杆挤出机造粒，双螺杆挤出机螺杆直径为75mm，长径比45：1，挤出机温度依次设定为：一区130℃，二区140℃，三区150℃，四区155℃，五区160℃，六区165℃，七区170℃,八区170℃，九区175℃，机头温度180℃；
步骤5：将步骤4得到的粒子与330-370份PA12尼龙材料混合，用双螺杆挤出机进行挤出加工成直径为1.75士0.05mm的细丝，双螺杆挤出机螺杆直径15mm，长径比48：1，挤出温度依次设定为一区130℃，二区140℃，三区150℃，四区155℃，五区160℃，六区165℃，七区170℃,八区170℃，九区175℃，机头温度180℃；
步骤6:细丝经水冷，风干，绕盘。
进一步，作为优选，在步骤1中，铜粉的目数为800目。
进一步，作为优选，在步骤2中，按重量份称量铜粉300份，PA-12尼龙材料350份，偶联剂3份，分散剂10份，润滑剂6份，增韧剂20份。
进一步，在步骤5中，采用双螺杆挤出机进行挤出加工。
本发明的有益效果为：
1、本发明的3D打印金属PA-12复合材料，通过在PA-12尼龙材料中加入金属材料铜粉，并加入偶联剂、分散剂、润滑剂和增韧剂进行合理配比，使3D打印出来的物品具有金属质感，同时，有效的提高了材料的力学性能，降低了材料的收缩率，减小打印时产生的翘曲。
2、本发明的复合材料在制备时，各步骤是针对3D打印金属PA-12复合材料进行优化的，所制作的复合材料是在采用铜粉对PA-12尼龙材料进行配比后，针对3D打印金属PA-12复合材料加工的工艺中的温度、材料目数、各材料添加次序以及双螺杆挤出机的剪切作用对复合材料的进一步混合作用等工艺参数的整体配合改进得到的具有金属质感、低收缩率和高强度3D打印金属PA-12复合材料。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种3D打印金属PA-12复合材料，由下述重量份的原料制得：铜粉250份，PA-12尼龙材料750份，偶联剂2，分散剂5份，润滑剂5份，增韧剂18份；其具体的制备方法步骤为：
步骤1：准备铜粉、PA-12尼龙材料、偶联剂、分散剂、润滑剂和增韧剂材料，将各原料烘干备用，使各原料含水率小于0.05％；
步骤2：按照重量份称量铜粉250份，PA-12尼龙材料350份，偶联剂2，分散剂5份，润滑剂5份，增韧剂18份；
步骤3：将步骤2称量的铜粉加入行星式球磨机，加入步骤2称重的偶联剂继续混合10分钟，之后加入步骤2称重的分散剂、润滑剂继续混合10分钟，最后加入步骤2称量的PA-12尼龙材料、增韧剂继续混合120分钟，温度保持在25℃；
步骤4：将步骤3中得到的混合料用双螺杆挤出机造粒，双螺杆挤出机螺杆直径为75mm，长径比45：1，挤出机温度依次设定为：一区145℃，二区150℃，三区160℃，四区165℃，五区170℃，六区175℃，七区175℃，八区175℃，九区175℃，机头温度180℃；
步骤5：将步骤4得到的粒子与400份PA-12尼龙材料混合，用双螺杆挤出机进行挤出加工成直径为1.75士0.05mm的细丝，双螺杆挤出机螺杆直径15mm，长径比48：1，挤出温度依次设定为一区145℃，二区150℃，三区160℃，四区165℃，五区170℃，六区175℃，七区175℃，八区175℃，九区175℃，机头温度180℃；
步骤6:细丝经水冷，风干，绕盘。
实施例2
一种3D打印金属PA-12复合材料，由下述重量份的原料制得：铜粉300份，PA-12尼龙材料350份，偶联剂3份，分散剂10份，润滑剂6份，增韧剂20份；其具体的制备方法步骤为：
步骤1：准备铜粉、PA-12尼龙材料、偶联剂、分散剂、润滑剂和增韧剂材料，将各原料烘干备用，使各原料含水率小于0.05％，；
步骤2：按照重量份称量铜粉300份，PA-12尼龙材料350份，偶联剂3份，分散剂10份，润滑剂6份，增韧剂20份；
步骤3：将步骤2称量的铜粉加入行星式球磨机，加入步骤2称重的偶联剂继续混合10分钟，之后加入步骤2称重的分散剂、润滑剂继续混合10分钟，最后加入步骤2称量的PA-12尼龙材料、增韧剂继续混合120分钟，温度保持在25℃；
步骤4：将步骤3中得到的混合料用双螺杆挤出机造粒，双螺杆挤出机螺杆直径为75mm，长径比45：1，挤出机温度依次设定为：一区145℃，二区150℃，三区160℃，四区165℃，五区170℃，六区175℃，七区175℃，八区175℃，九区175℃，机头温度180℃；
步骤5：将步骤4得到的粒子与350份PA-12尼龙材料混合，用双螺杆挤出机进行挤出加工成直径为1.75士0.05mm的细丝，双螺杆挤出机螺杆直径15mm，长径比48：1，挤出温度依次设定为一区145℃，二区150℃，三区160℃，四区165℃，五区170℃，六区175℃，七区175℃，八区175℃，九区175℃，机头温度180℃；
步骤6:细丝经水冷，风干，绕盘。
实施例3
一种3D打印金属PA-12复合材料，由下述重量份的原料制得：铜粉330份，PA-12尼龙材料370份，偶联剂5份，分散剂15份，润滑剂10份，增韧剂125份；其具体的制备方法步骤为：
步骤1：准备铜粉、PA-12尼龙材料、偶联剂、分散剂、润滑剂和增韧剂材料，将各原料烘干备用，使各原料含水率小于0.05％；
步骤2：按照重量份称量铜粉330份，PA-12尼龙材料180份，偶联剂5份，分散剂15份，润滑剂10份，增韧剂125份；
步骤3：将步骤2称量的铜粉加入行星式球磨机，加入步骤2称重的偶联剂继续混合10分钟，之后加入步骤2称重的分散剂、润滑剂继续混合10分钟，最后加入步骤2称量的PA-12尼龙材料、增韧剂继续混合120分钟，温度保持在25℃；
步骤4：将步骤3中得到的混合料用双螺杆挤出机造粒，双螺杆挤出机螺杆直径为75mm，长径比45：1，挤出机温度依次设定为：一区145℃，二区150℃，三区160℃，四区165℃，五区170℃，六区175℃，七区175℃，八区175℃，九区175℃，机头温度180℃；
步骤5：将步骤4得到的粒子与300份PA-12尼龙材料混合，用双螺杆挤出机进行挤出加工成直径为1.75士0.05mm的细丝，双螺杆挤出机螺杆直径15mm，长径比48：1，挤出温度依次设定为:一区145℃，二区150℃，三区160℃，四区165℃，五区170℃，六区175℃，七区175℃，八区175℃，九区175℃，机头温度180℃；
步骤6:细丝经水冷，风干，绕盘。
效果分析
抗弯曲强度(MPa) 抗拉伸强度(MPa)
常规PA12 16.4 50.2
实施例1 19.2 56.1
实施例2 22.5 60.4
实施例3 25.9 66.7
本发明的3D打印金属PA-12复合材料，通过在PA-12尼龙材料中加入金属材料铜粉，并加入偶联剂、分散剂、润滑剂和增韧剂进行合理配比，使3D打印出来的物品具有金属质感，同时，有效的提高了材料的力学性能，降低了材料的收缩率，减小打印时产生的翘曲。同时，本发明的复合材料在制备时，各步骤是针对3D打印金属PA-12复合材料进行优化的，所制作的复合材料是在采用铜粉对PA-12尼龙材料进行配比后，针对3D打印金属PA-12复合材料加工的工艺中的温度、材料目数、各材料添加次序以及双螺杆挤出机的剪切作用对复合材料的进一步混合作用等工艺参数的整体配合改进得到的具有金属质感高拉伸强度、高弯曲强度的3D打印金属/PA-12复合材料。
最终，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种3D打印金属PA-12复合材料，其特征在于：所述的3D打印金属PA-12复合材料由下述重量份的原料制得：铜粉250-330份，PA-12尼龙材料670-750份，偶联剂2-5份，分散剂5-15份，润滑剂5-10份，增韧剂18-25份。
2.根据权利要求1所述的3D打印金属PA-12复合材料，其特征在于：所述复合材料的最佳配比组成为：铜粉300份，PA-12尼龙材料700份，偶联剂3份，分散剂10份，润滑剂6份，增韧剂20份。
3.一种3D打印金属PA-12复合材料的制备方法，其特征在于：所述的3D打印金属PA-12复合材料的制备方法包括以下步骤：
步骤1：准备铜粉、PA-12尼龙材料、偶联剂、分散剂、润滑剂和增韧剂材料，将各原料烘干备用，使各原料含水率小于0.05％；
步骤2：按照重量份称量铜粉250-330份，PA-12尼龙材料340-380份，偶联剂2-5份，分散剂5-15份，润滑剂5-10份，增韧剂18-25份；
步骤3：将步骤2称量的铜粉加入球磨机，待温度升至90℃，加入步骤2称重的偶联剂继续混合10分钟，之后加入步骤2称重的分散剂、润滑剂继续混合10分钟，最后加入步骤2称量的PA12尼龙材料、增韧剂继续混合120分钟，温度保持在150℃；
步骤4：将步骤3中得到的混合料用双螺杆挤出机造粒，双螺杆挤出机螺杆直径为75mm，长径比45：1，挤出机温度依次设定为：一区130℃，二区140℃，三区150℃，四区155℃，五区160℃，六区165℃，七区170℃,八区170℃，九区175℃，机头温度180℃；
步骤5：将步骤4得到的粒子与330-370份PA12尼龙材料混合，用双螺杆挤出机进行挤出加工成直径为1.75士0.05mm的细丝；
步骤6：细丝经水冷，风干，绕盘。
4.根据权利要求3所述的一种3D打印金属PA-12复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤1中，铜粉为80目。
5.根据权利要求3所述的一种3D打印金属PA-12复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤2中，按重量份称量铜粉300份，PA-12尼龙材料700份，偶联剂3份，分散剂10份，润滑剂6份，增韧剂20份。
6.根据权利要求3所述的一种3D打印金属PA-12复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤5中，采用单螺杆挤出机进行挤出加工。
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