CN106113501A - 一种具有金属质感或陶瓷质感复合材料增材制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有金属质感或陶瓷质感复合材料增材制备方法，该制备方法包括如下步骤：1)材料准备阶段：选择70‑90份聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚乳酸中的任一项作为热塑性聚合物丝材，选择10‑30份金属或合金粉末作为丝芯；加热使得热塑性聚合物丝材至熔融状态；将金属或者合金粉末通过物理分散搅拌器匀速搅拌；将基体通过拉丝机的丝材挤出口得到复合材料拉丝；2)熔融沉积成形阶段：3)后处理阶段：对上述步骤2)制得的复合材料成形件进行清粉和打磨处理。该制备方法具有操作简单、制得的成形件综合性能高，节约了生产周期，提高了生产效率，适用性较广。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种具有金属质感或陶瓷质感复合材料增材制备方法。
背景技术
目前，随着各种增材制造技术不断发展，对于特种金属及合金、特种陶瓷零件的成形，也越来越依靠这些新技术、新工艺、新方法。然而，零件成形加工采用FDM(熔融沉积制造成形)是一个利用熔融材料逐点、逐层动态堆积过程，在该过程中，相邻沉积搭接熔滴在结合界面处，依靠后沉积熔滴携带的热量使先前已沉积熔滴的表面发生局部重熔，实现彼此间的结合，进行成形出整个三维零件。由于该加工方法虽然具有成本低、成形效率高、能耗低、无污染等优点，但是制造过程中也存在凹凸不平、粗糙度较大、质感差等缺点使其不能满足高精度使用技术要求。相比于聚合物材料，金属、陶瓷等材料采用上述FDM工艺均受到限制，这主要是由于材料自身性能所决定的。因而，提出一种能够克服上述缺陷的新方法具有重要的研究意义。
高分子材料的增材制造成形件并不具有金属质感或陶瓷质感，而且其强度与耐温程度亦较差。金属质感或陶瓷质感固然可以通过喷漆等方法获得，但并不能仔细观看，如果采用高分子基复合材料来进行增材制造，如果将明显优于喷漆。虽然这种成形件是为了提供给设计人员直观的三维形象，或显示多个零件的装配关系，往往应用于工艺美术、样件展示、立体摄影等领域，很少用作机械零件，但是，技术人员还是希望这些成形件一方面具有金属质感或陶瓷质感，另一方面也具有一定的机械性能，在较轻负载下作为一些机械零件来使用，如果采用金属颗粒增强或陶瓷颗粒增强高分子基复合材料，效果也比较好。因此，提出本发明。
发明内容
针对现有技术中增材制造技术存在的上述不足，本发明的目的在于：提出一种具有金属质感或陶瓷质感复合材料增材制备方法，该制备方法具有操作简单、制得的成形件综合性能高，节约了生产周期，提高了生产效率，适用性较广。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案实现：
一种具有金属质感复合材料增材制备方法，该制备方法包括如下步骤：
1)材料准备阶段：选择70-90份聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚乳酸中的任一项作为热塑性聚合物丝材，选择10-30份金属或合金粉末作为丝芯；并加热使得热塑性聚合物丝材至熔融状态；将金属或者合金粉末通过物理分散搅拌器匀速搅拌20-30min后，再保温静置20-30min，使其混合均匀分布在熔融状态下的热塑性聚合物丝材的基体中；选择控制拉丝机丝材挤出口的孔径为10-100μm，拉丝挤出温度为100-300℃，拉丝轮旋转速度为50-200r/min，将所述的基体通过拉丝机的丝材挤出口得到复合材料拉丝；
2)熔融沉积成形阶段：使用CAD软件构件成形件的3D模型，并导入工控机的分层软件进行分层，生成轨迹运行代码；将上述步骤1)中制得的复合材料拉丝加热逐渐达到熔融状态，利用压缩空气的气体压力将该步骤中熔融状态的复合材料拉丝通过不锈钢耐压金属软管输送至3D打印机喷头中；控制3D打印机喷头液体溢出口处的喷头加热器，使得喷头加热器的加热温度保持在熔融状态下复合材料拉丝的临界温度，根据轨迹运行代码，工控机控制喷头在X、Y、Z三轴方向上运动逐层进行打印，形成复合材料成形件；其中打印速度为20-50cm/min；
3)后处理阶段：对上述步骤2)制得的复合材料成形件进行清粉、刮研和打磨处理，对于表面光洁度要求高的成形件，还应进行精抛处理。
作为上述技术方案的进一步优化，所述步骤1)中的物理分散搅拌器包括搅拌器、分散器和驱动设备；其中搅拌器和分散器分别与驱动设备相连接，驱动设备包括旋转台、垂直升降台、电机，电机分别与旋转台和垂直升降台相连接以实现正向和反向旋转及上下移动；分散器中还添加有分散剂。
作为上述技术方案的进一步优化，所述步骤2)中的3D打印机喷头为可变摩擦力挤压型喷头，该可变摩擦力挤压型喷头包括喷头、安装在喷头两侧的弹性元件和弹性力调节元件；其中弹性元件为弹簧，弹性力调节元件包括第一弹簧底座、第二弹簧底座和螺杆，弹簧设置在第一弹簧底座和第二弹簧底座之间，第一弹簧底座位置固定，第二弹簧底座可水平移动；并且第一弹簧底座和第二弹簧底座上均设置有螺纹通孔，螺杆依次穿过第一弹簧底座和第二弹簧底座的螺纹通孔，通过旋转螺杆调节第一弹簧底座和第二弹簧底座的间距。
作为上述技术方案的进一步优化，所述步骤1)中的拉丝冷却温度为20-200℃，所述的金属或者合金粉末的粒径为8-100μm。
一种具有陶瓷质感复合材料增材制备方法，该制备方法包括如下步骤：
1)材料准备阶段：选择70-90份聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚乳酸中的任一项作为热塑性聚合物丝材，选择10-30份陶瓷粉末作为丝芯，并加热使得热塑性聚合物丝材至熔融状态；将陶瓷粉末通过物理分散搅拌器匀速搅拌20-30min后，再静置20-30min，使其混合均匀分布在熔融状态下的热塑性聚合物丝材的基体中；选择控制拉丝机丝材挤出口的孔径为10-100μm，拉丝温度为100-300℃，拉丝轮旋转速度为50-200r/min，将所述的基体通过拉丝机的丝材挤出口得到复合材料拉丝；
2)熔融沉积成形阶段：使用CAD软件构件成形件的3D模型，并导入工控机的分层软件进行分层，生成轨迹运行代码；将上述步骤1)中制得的复合材料拉丝加热逐渐达到熔融状态，利用压缩空气的气体压力将该步骤中熔融状态的复合材料拉丝通过不锈钢耐压金属软管输送至3D打印机喷头中；控制3D打印机喷头液体溢出口处的喷头加热器，使得喷头加热器的加热温度保持在熔融状态下复合材料拉丝的临界温度，根据轨迹运行代码，工控机控制喷头在X、Y、Z三轴方向上运动逐层进行打印，形成复合材料成形件；其中打印速度为20-50cm/min；
3)后处理阶段：对上述步骤2)制得的复合材料成形件进行清粉、刮研和打磨处理，对于表面光洁度要求高的成形件，还应进行精抛处理。
作为上述技术方案的进一步优化，所述步骤1)中的物理分散搅拌器包括搅拌器、分散器和驱动设备；其中搅拌器和分散器分别与驱动设备相连接，驱动设备包括旋转台、垂直升降台、电机，电机分别与旋转台和垂直升降台相连接以实现正向和反向旋转及上下移动；分散器中还添加有分散剂。
作为上述技术方案的进一步优化，所述步骤2)中的3D打印机喷头为可变摩擦力挤压型喷头，该可变摩擦力挤压型喷头包括喷头、安装在喷头两侧的弹性元件和弹性力调节元件；其中弹性元件为弹簧，弹性力调节元件包括第一弹簧底座、第二弹簧底座和螺杆，弹簧设置在第一弹簧底座和第二弹簧底座之间，第一弹簧底座位置固定，第二弹簧底座可水平移动；并且第一弹簧底座和第二弹簧底座上均设置有螺纹通孔，螺杆依次穿过第一弹簧底座和第二弹簧底座的螺纹通孔，通过旋转螺杆调节第一弹簧底座和第二弹簧底座的间距。
作为上述技术方案的进一步优化，所述步骤1)中的拉丝冷却温度为20-200℃，所述的陶瓷粉末的粒径为8-100μm。
与现有技术中增材制造技术相比，采用本发明一种具有金属质感或陶瓷质感复合材料增材制备方法具有如下优异效果：
(1)该制备方法不需要通过模具来成形，成形件的综合性能得到改善，降低了生产成本，提高了生产效率。
(2)成形件的外表面具有金属质感或者陶瓷质感，与金属或者陶瓷非常类似，尤其是金属光泽、陶瓷上釉后的色度等，并且使用寿命大大提高。
(3)操作工序上，相对简单，能够广泛被使用。
附图说明
附图1为本发明一种具有金属质感或陶瓷质感复合材料增材制备方法的简单流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明一种具有金属质感或陶瓷质感复合材料增材制备方法的具体步骤作以详细说明。
一种具有金属质感复合材料增材制备方法，该制备方法包括如下步骤：
1)材料准备阶段：选择70-90份聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚乳酸中的任一项作为热塑性聚合物丝材，选择10-30份金属或合金粉末作为丝芯；并加热使得热塑性聚合物丝材至熔融状态；将金属或者合金粉末通过物理分散搅拌器匀速搅拌20-30min后，再保温静置20-30min，使其混合均匀分布在熔融状态下的热塑性聚合物丝材的基体中；选择控制拉丝机丝材挤出口的孔径为10-100μm，拉丝挤出温度为100-300℃，拉丝轮旋转速度为50-200r/min，将所述的基体通过拉丝机的丝材挤出口得到复合材料拉丝；
2)熔融沉积成形阶段：使用CAD软件构件成形件的3D模型，并导入工控机的分层软件进行分层，生成轨迹运行代码；将上述步骤1)中制得的复合材料拉丝加热逐渐达到熔融状态，利用压缩空气的气体压力将该步骤中熔融状态的复合材料拉丝通过不锈钢耐压金属软管输送至3D打印机喷头中；控制3D打印机喷头液体溢出口处的喷头加热器，使得喷头加热器的加热温度保持在熔融状态下复合材料拉丝的临界温度，根据轨迹运行代码，工控机控制喷头在X、Y、Z三轴方向上运动逐层进行打印，形成复合材料成形件；其中打印速度为20-50cm/min；
3)后处理阶段：对上述步骤2)制得的复合材料成形件进行清粉、刮研和打磨处理。
所述步骤1)中的物理分散搅拌器包括搅拌器、分散器和驱动设备；其中搅拌器和分散器分别与驱动设备相连接，驱动设备包括旋转台、垂直升降台、电机，电机分别与旋转台和垂直升降台相连接以实现正向和反向旋转及上下移动；分散器中还添加有分散剂。
所述步骤2)中的3D打印机喷头为可变摩擦力挤压型喷头，该可变摩擦力挤压型喷头包括喷头、安装在喷头两侧的弹性元件和弹性力调节元件；其中弹性元件为弹簧，弹性力调节元件包括第一弹簧底座、第二弹簧底座和螺杆，弹簧设置在第一弹簧底座和第二弹簧底座之间，第一弹簧底座位置固定，第二弹簧底座可水平移动；并且第一弹簧底座和第二弹簧底座上均设置有螺纹通孔，螺杆依次穿过第一弹簧底座和第二弹簧底座的螺纹通孔，通过旋转螺杆调节第一弹簧底座和第二弹簧底座的间距。
所述步骤1)中的拉丝冷却温度为20-200℃，所述的金属或者合金粉末的粒径为8-100μm。
一种具有陶瓷质感复合材料增材制备方法，该制备方法包括如下步骤：
1)材料准备阶段：选择70-90份聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚乳酸中的任一项作为热塑性聚合物丝材，选择10-30份陶瓷粉末作为丝芯，并加热使得热塑性聚合物丝材至熔融状态；将陶瓷粉末通过物理分散搅拌器匀速搅拌20-30min后，再静置20-30min，使其混合均匀分布在熔融状态下的热塑性聚合物丝材的基体中；选择控制拉丝机丝材挤出口的孔径为10-100μm，拉丝温度为100-300℃，拉丝轮旋转速度为5-20r/min，将所述的基体通过拉丝机的丝材挤出口得到复合材料拉丝；
2)熔融沉积成形阶段：使用CAD软件构件成形件的3D模型，并导入工控机的分层软件进行分层，生成轨迹运行代码；将上述步骤1)中制得的复合材料拉丝加热逐渐达到熔融状态，利用压缩空气的气体压力将该步骤中熔融状态的复合材料拉丝通过不锈钢耐压金属软管输送至3D打印机喷头中；控制3D打印机喷头液体溢出口处的喷头加热器，使得喷头加热器的加热温度保持在熔融状态下复合材料拉丝的临界温度，根据轨迹运行代码，工控机控制喷头在X、Y、Z三轴方向上运动逐层进行打印，形成复合材料成形件；其中打印速度为20-30cm/min；
3)后处理阶段：对上述步骤2)制得的复合材料成形件进行清粉和打磨处理，对于表面光洁度要求高的成形件，还应进行精抛处理。
所述步骤1)中的物理分散搅拌器包括搅拌器、分散器和驱动设备；其中搅拌器和分散器分别与驱动设备相连接，驱动设备包括旋转台、垂直升降台、电机，电机分别与旋转台和垂直升降台相连接以实现正向和反向旋转及上下移动；分散器中还添加有分散剂。
所述步骤2)中的3D打印机喷头为可变摩擦力挤压型喷头，该可变摩擦力挤压型喷头包括喷头、安装在喷头两侧的弹性元件和弹性力调节元件；其中弹性元件为弹簧，弹性力调节元件包括第一弹簧底座、第二弹簧底座和螺杆，弹簧设置在第一弹簧底座和第二弹簧底座之间，第一弹簧底座位置固定，第二弹簧底座可水平移动；并且第一弹簧底座和第二弹簧底座上均设置有螺纹通孔，螺杆依次穿过第一弹簧底座和第二弹簧底座的螺纹通孔，通过旋转螺杆调节第一弹簧底座和第二弹簧底座的间距。
所述步骤1)中的拉丝冷却温度为20-200℃，所述的陶瓷粉末的粒径为8-100μm。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种具有金属质感复合材料增材制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
1)材料准备阶段：选择70-90份聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚乳酸中的任一项作为热塑性聚合物丝材，选择10-30份金属或合金粉末作为丝芯；并加热使得热塑性聚合物丝材至熔融状态；将金属或者合金粉末通过物理分散搅拌器匀速搅拌20-30min后，再保温静置20-30min，使其混合均匀分布在熔融状态下的热塑性聚合物的基体中；选择控制拉丝机丝材挤出口的孔径为10-100μm，拉丝挤出温度为100-300℃，拉丝轮旋转速度为50-200r/min，将所述的基体通过拉丝机的丝材挤出口得到复合材料拉丝；
2)熔融沉积成形阶段：使用CAD软件构件成形件的3D模型，并导入工控机的分层软件进行分层，生成轨迹运行代码；将上述步骤1)中制得的复合材料拉丝加热逐渐达到熔融状态，利用压缩空气的气体压力将该步骤中熔融状态的复合材料拉丝通过不锈钢耐压金属软管输送至3D打印机喷头中；控制3D打印机喷头液体溢出口处的喷头加热器，使得喷头加热器的加热温度保持在熔融状态下复合材料拉丝的临界温度，根据轨迹运行代码，工控机控制喷头在X、Y、Z三轴方向上运动逐层进行打印，形成复合材料成形件；其中打印速度为20-50cm/min；
3)后处理阶段：对上述步骤2)制得的复合材料成形件进行清粉、刮研和打磨处理，对于表面光洁度要求高的成形件，还应进行精抛处理。
2.根据权利要求1所述的一种具有金属质感复合材料增材制备方法，其特征在于：所述步骤1)中的物理分散搅拌器包括搅拌器、分散器和驱动设备；其中搅拌器和分散器分别与驱动设备相连接，驱动设备包括旋转台、垂直升降台、电机，电机分别与旋转台和垂直升降台相连接以实现正向和反向旋转及上下移动；分散器中还添加有分散剂。
3.根据权利要求1所述的一种具有金属质感复合材料增材制备方法，其特征在于：所述步骤2)中的3D打印机喷头为可变摩擦力挤压型喷头，该可变摩擦力挤压型喷头包括喷头、安装在喷头两侧的弹性元件和弹性力调节元件；其中弹性元件为弹簧，弹性力调节元件包括第一弹簧底座、第二弹簧底座和螺杆，弹簧设置在第一弹簧底座和第二弹簧底座之间，第一弹簧底座位置固定，第二弹簧底座可水平移动；并且第一弹簧底座和第二弹簧底座上均设置有螺纹通孔，螺杆依次穿过第一弹簧底座和第二弹簧底座的螺纹通孔，通过旋转螺杆调节第一弹簧底座和第二弹簧底座的间距。
4.根据权利要求1所述的一种具有金属质感复合材料增材制备方法，其特征在于：所述步骤1)中的拉丝冷却温度为20-200℃，所述的金属或者合金粉末的粒径为8-100μm。
5.一种具有陶瓷质感复合材料增材制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
1)材料准备阶段：选择70-90份聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚乳酸中的任一项作为热塑性聚合物丝材，选择10-30份陶瓷粉末作为丝芯，并加热使得热塑性聚合物丝材至熔融状态；将陶瓷粉末通过物理分散搅拌器匀速搅拌20-30min后，再保温静置20-30min，使其混合均匀分布在熔融状态下的热塑性聚合物丝材的基体中；选择控制拉丝机丝材挤出口的孔径为10-100μm，拉丝温度为100-300℃，拉丝轮旋转速度为50-200r/min，将所述的基体通过拉丝机的丝材挤出口得到复合材料拉丝；
2)熔融沉积成形阶段：使用CAD软件构件成形件的3D模型，并导入工控机的分层软件进行分层，生成轨迹运行代码；将上述步骤1)中制得的复合材料拉丝加热逐渐达到熔融状态，利用压缩空气的气体压力将该步骤中熔融状态的复合材料拉丝通过不锈钢耐压金属软管输送至3D打印机喷头中；控制3D打印机喷头液体溢出口处的喷头加热器，使得喷头加热器的加热温度保持在熔融状态下复合材料拉丝的临界温度，根据轨迹运行代码，工控机控制喷头在X、Y、Z三轴方向上运动逐层进行打印，形成复合材料成形件；其中打印速度为20-50cm/min；
3)后处理阶段：对上述步骤2)制得的复合材料成形件进行清粉、刮研和打磨处理，对于表面光洁度要求高的成形件，还应进行精抛处理。
6.根据权利要求5所述的一种具有陶瓷质感复合材料增材制备方法，其特征在于：所述步骤1)中的物理分散搅拌器包括搅拌器、分散器和驱动设备；其中搅拌器和分散器分别与驱动设备相连接，驱动设备包括旋转台、垂直升降台、电机，电机分别与旋转台和垂直升降台相连接以实现正向和反向旋转及上下移动；分散器中还添加有分散剂。
7.根据权利要求5所述的一种具有陶瓷质感复合材料增材制备方法，其特征在于：所述步骤2)中的3D打印机喷头为可变摩擦力挤压型喷头，该可变摩擦力挤压型喷头包括喷头、安装在喷头两侧的弹性元件和弹性力调节元件；其中弹性元件为弹簧，弹性力调节元件包括第一弹簧底座、第二弹簧底座和螺杆，弹簧设置在第一弹簧底座和第二弹簧底座之间，第一弹簧底座位置固定，第二弹簧底座可水平移动；并且第一弹簧底座和第二弹簧底座上均设置有螺纹通孔，螺杆依次穿过第一弹簧底座和第二弹簧底座的螺纹通孔，通过旋转螺杆调节第一弹簧底座和第二弹簧底座的间距。
8.根据权利要求5所述的一种具有陶瓷质感复合材料增材制备方法，其特征在于：所述步骤1)中的拉丝冷却温度为20-200℃，所述的陶瓷粉末的粒径为8-100μm。
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