CN106366672A - 一种用于3d打印技术制作三维物体的材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于3D打印技术制作三维物体的材料，该材料包含:结构材料，用于3D打印过程中形成三维物体；支架材料，用于在3D打印过程中对三维物体悬空的部分提供支撑。结构材料包括基础组分，基础组分为烃蜡、合成蜡、PE蜡、低分子量聚乙烯之一或其组合。支架材料包括(1)含有16‑50个碳原子的醇或酸；(2)松香、改性松香、松香衍生物。该材料的制备方法包括结构材料的制备方法和支架材料的制备方法，本发明通过选择适当的原料和添加比例，使支架材料和结构材料有良好的亲和力，这样在3D打印过程中支架材料和结构材料可以良好地接触，为包括细小结构在内的三维物体提供足够的支撑和保护，同时可以顺利将支架材料和结构材料分离。

Description

一种用于3D打印技术制作三维物体的材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于3D打印技术制作三维物体的材料及其制备方法。
背景技术
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。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。
在3D打印中，各种固体自由成型，或者3D打印技术通常用于制造三维物体。各种方法共同特征在于由描述该物体的计算机数据由多个成型且粘合的层以加合方式构造三维物体，各层代表该三维物体的一个横截面。一般，该物体的连续层形成以及粘合至一叠在先形成且粘合的层。按照一种SFF技术，物体横截面由非固体化的、可流动的材料按要求的模样(patterns)选择性沉积到工作面之上而形成，然后容许或者使得该材料形成该物体横截面并且同时粘合至预先-形成的物体横截面，该工作面将成为该物体部分横截面。然后重复这些步骤以通过一个横截面接着一个横截面依次构造出该三维物体。
但是现有技术制造出的进行失蜡铸造或精密铸造所用的蜡材不能满足3D打印的要求，适用于3D打印的材料应能经由合适的分配器喷射(比如多孔板、喷墨类型打印头)并且具有适合于选择性沉积成型的韧性、使用性、以及尺寸稳定方面的性能的。这些材料应该还具有满足该三维物体后续使用方面的性能，例如作为熔模铸造过程的模型。
发明内容
本发明针对现有技术的不足之处，提供一种用于3D打印技术制作三维物体的材料及其制备方法，本发明通过选择适当的原料和添加比例，使支架材料和结构材料有良好的亲和力，这样在3D打印过程中支架材料和结构材料可以良好地接触，为包括细小结构在内的三维物体提供足够的支撑和保护，同时可以顺利将支架材料和结构材料分离。本发明还通过选择适当的原料和添加比例，使支架材料和结构材料在3D打印机内熔融后有良好的流动性，满足3D打印机的精密喷嘴的要求，同时与之配合打印成型精密细小的三维结构。
为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：
一种用于3D打印技术制作三维物体的材料，该材料包含:结构材料，用于3D打印过程中形成三维物体；支架材料，用于在3D打印过程中对三维物体悬空的部分提供支撑。
结构材料包括基础组分，基础组分为烃蜡、合成蜡、PE蜡、低分子量聚乙烯之一或其组合。
支架材料包括(1)含有16-50个碳原子的醇或酸；(2)松香或松香衍生物。
进一步，烃蜡包括碳原子数在17-200的烃蜡、石蜡、微晶蜡、费托蜡、沙索蜡，合成蜡包括氧化聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、合成酰胺蜡、蒙旦蜡。
进一步，结构材料还包括优化添加剂一，优化添加剂一包含含有羧基、羟基、酯基的蜡，地蜡、褐煤蜡、蜂蜡，包含含有16-50各碳原子的醇或酸、虫白蜡、棕榈蜡、小烛树蜡之一或其组合。
进一步，优化添加剂一限定其熔点或环球软化点在50-120℃，优化添加剂一占结构材料重量的0.1-50％。
进一步，结构材料还包括优化添加剂二，优化添加剂二包含萜烯树脂及改性萜烯树脂、松香及松香衍生物、石油树脂及改性石油树脂、C5树脂、C9树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、古马隆树脂、EVA树脂、聚异丁烯之一或其组合。
进一步，优化添加剂二限定其熔点或环球软化点在50-150℃，优化添加剂二占结构材料重量的0.1-50％。
进一步，基础组分限定其熔点或环球软化点在约60-90℃，基础组分占结构材料重量的40-100％。
进一步，含有16-50个碳原子的醇或酸限定其熔点或环球软化点在40-85℃，含有16-50个碳原子的醇或酸占支架材料重量的30-70％；松香、改性松香或松香衍生物限定其熔点或环球软化点在约40-120℃，松香、改性松香或松香衍生物占支架材料重量的30-70％。
进一步，松香包括1-5级松香、木松香、脂松香和浮油松香，改性松香包括氢化松香、聚合松香、马来松香和歧化松香，松香衍生物包括松香甘油酯、松香季戊四醇酯、松香酸酐和松香醇。
一种用于3D打印技术制作三维物体的材料的制备方法，包括结构材料的制备方法和支架材料的制备方法。
结构材料的制备方法：(1)首先将基础组分计量后加入容器内，然后加热搅拌，并控制物料温度不超过180℃；(2)将优化添加剂一或优化添加剂二或两者的组合，计量后加入该容器内，继续加热搅拌，并控制物料温度不超过180℃，直到全部物料熔融，并混合均匀，最后进行过滤后装入存储容器。
支架材料的制备方法：(1)首先将含有16-50各碳原子的醇或酸计量后加入容器内，然后加热搅拌，并控制物料温度不超过180℃；(2)将松香或松香衍生物计量后加入该容器内，继续加热搅拌，并控制物料温度不超过180℃，直到全部物料熔融，并混合均匀，最后进行过滤后装入存储容器。
由于采用上述技术方案，具有以下有益效果：
本发明为一种用于3D打印技术制作三维物体的材料及其制备方法，本发明通过选择适当的原料和添加比例，使支架材料和结构材料有良好的亲和力，这样在3D打印过程中支架材料和结构材料可以良好地接触，为包括细小结构在内的三维物体提供足够的支撑和保护，同时可以顺利将支架材料和结构材料分离。本发明还通过选择适当的原料和添加比例，使支架材料和结构材料在3D打印机内熔融后有良好的流动性，满足3D打印机的精密喷嘴的要求，同时与之配合打印成型精密细小的三维结构。
具体实施方式
一种用于3D打印技术制作三维物体的材料，该材料包含:结构材料，用于3D打印过程中形成三维物体；支架材料，用于在3D打印过程中对三维物体悬空的部分提供支撑。
结构材料包括基础组分，基础组分为烃蜡、PE蜡、低分子量聚乙烯之一或其组合。烃蜡包括碳原子数在17-200的烃蜡、石蜡、微晶蜡、费托蜡、沙索蜡，合成蜡包括氧化聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、合成酰胺蜡、蒙旦蜡。基础组分限定其熔点或环球软化点在约60-90℃，基础组分占结构材料重量的40-100％。其中碳原子数在17-200的烃蜡、石蜡、微晶蜡、费托蜡、沙索蜡，属于烃蜡类结构材料，PE蜡和低分子量聚乙烯属于非烃蜡类结构材料，在实际制作该三维物体的材料的过程中，使用烃蜡类结构材料、合成蜡、PE蜡、低分子量聚乙烯作为基础组分时，可以添加优化添加剂一、优化添加剂二或者优化添加剂一和优化添加剂一的组合作为优化添加剂，以提高结构材料的产品质量，使其更好地满足3D打印机的精密喷嘴的要求，同时与之配合打印成型精密细小的三维结构。也可以不使用优化添加剂一、优化添加剂二，即仅仅使用基础组分烃蜡、合成蜡、PE蜡、低分子量聚乙烯之一或其组合，同样可以制作出三维物体的材料，因此优化添加剂的选取取决于具体采用基础组分的材料，比如当使用低分子量聚乙烯、石蜡的组合作为基础组分，可以不使用优化添加剂的任何一种，同样可以制作出该三维物体的材料，取材广泛，选择性大，很好地改善了制作该三维物体的材料的组分，能够满足不同层次的人们的需求，可以实现工业化连续生产和大幅度提高产品的收率。
支架材料包括(1)含有16-50个碳原子的醇或酸；(2)松香、改性松香或松香衍生物。松香包括1-5级松香、木松香、脂松香和浮油松香，改性松香包括氢化松香、聚合松香、马来松香和歧化松香，松香衍生物包括松香甘油酯、松香季戊四醇酯、松香酸酐和松香醇。含有16-50个碳原子的醇或酸限定其熔点或环球软化点在40-85℃，含有16-50个碳原子的醇或酸占支架材料重量的30-70％；松香、改性松香或松香衍生物限定其熔点或环球软化点在约40-120℃，松香、改性松香或松香衍生物占支架材料重量的30-70％。
结构材料还包括优化添加剂一，优化添加剂一包含含有羧基、羟基、酯基的蜡，地蜡、褐煤蜡、蜂蜡，包含含有16-50各碳原子的醇或酸、虫白蜡、棕榈蜡、小烛树蜡之一或其组合。优化添加剂一限定其熔点或环球软化点在50-120℃，优化添加剂一占结构材料重量的0.1-50％。
结构材料还包括优化添加剂二，优化添加剂二包含萜烯树脂及改性萜烯树脂、松香及松香衍生物、石油树脂及改性石油树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、古马隆树脂、EVA树脂、聚异丁烯之一或其组合。优化添加剂二限定其熔点或环球软化点在50-150℃，优化添加剂二占结构材料重量的0.1-50％。在上述举出的优化添加剂二的例子中，石油树脂及改性石油树脂、C5树脂、C9树脂、聚异丁烯为不含氧的树脂材料，其余为含氧树脂材料，取材广泛，可以很好地满足3D打印机的精密喷嘴细小且高速喷射的要求。
一种用于3D打印技术制作三维物体的材料的制备方法，包括结构材料的制备方法和支架材料的制备方法。
结构材料的制备方法：(1)首先将基础组分计量后加入容器内，然后加热搅拌，并控制物料温度不超过180℃；(2)将优化添加剂一或优化添加剂二或两者的组合，计量后加入该容器内，继续加热搅拌，并控制物料温度不超过180℃，直到全部物料熔融，并混合均匀，最后进行过滤后装入存储容器。
支架材料的制备方法：(1)首先将含有16-50各碳原子的醇或酸计量后加入容器内，然后加热搅拌，并控制物料温度不超过180℃；(2)将松香或松香衍生物计量后加入该容器内，继续加热搅拌，并控制物料温度不超过180℃，直到全部物料熔融，并混合均匀，最后进行过滤后装入存储容器。
本发明通过选择适当的原料和添加比例，使支架材料和结构材料有良好的亲和力，这样在3D打印过程中支架材料和结构材料可以良好地接触，为包括细小结构在内的三维物体提供足够的支撑和保护，同时可以顺利将支架材料和结构材料分离。本发明还通过选择适当的原料和添加比例，使支架材料和结构材料在3D打印机内熔融后有良好的流动性，满足3D打印机的精密喷嘴的要求，同时与之配合打印成型精密细小的三维结构。
在实际使用过程中，通常需要将结构材料与支架材料进行分离，分离方法：当3D打印完成后，将三维物体放入乙醇、异丙醇、聚乙二醇或其组合溶剂中，适当加热搅拌，控制溶剂温度不超过50℃，可将支架材料溶解去除。由结构材料形成的三维物体可用于失蜡铸造等应用领域，为失蜡铸造提供尺寸精密的蜡模，使用非常方便。
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明，实施例1-10为结构材料的制备方法的具体实施方式，实施例11-15为支架材料的制备方法的具体实施方式。
实施例1
将基础组分64号全精炼石蜡48g，70号微晶蜡45g，PE蜡6g加入烧杯内，加热搅拌，再加入优化添加剂组分EVA树脂1g，控制物料温度不高于150℃，待物料全部熔融，混合均匀后，加入蓝色染料，搅拌10min，冷却待用。
实施例2
将基础组分费托蜡80g和韩国微晶蜡170s 55g加入烧杯内，加热搅拌，再加入优化添加剂组分地蜡50g，26烷酸5g，控制物料温度不高于150℃，待物料全部熔融，混合均匀后，加入蓝色染料，搅拌10min，冷却待用。
实施例3
将基础组分64号全精炼石蜡39.5g,低分子量聚乙烯0.5g和韩国微晶蜡170s 58g，PE蜡2g加入烧杯内，加热搅拌，控制物料温度不高于150℃，待物料全部熔融，混合均匀后，加入蓝色染料，搅拌10min，冷却待用。
实施例4
将基础组分韩国微晶蜡170s 30g加入烧杯内，加热搅拌，再加入优化添加剂组分蜂蜡22g，26烷酸6g，石油树脂2g，控制物料温度不高于150℃，待物料全部熔融，混合均匀后，加入蓝色染料，搅拌10min，冷却待用。
实施例5
将基础组分70号微晶蜡20g和沙索蜡50g加入烧杯内，加热搅拌，再加入优化添加剂组分蜂蜡22g，26烷酸6g，古马隆树脂2g，控制物料温度不高于150℃，待物料全部熔融，混合均匀后，加入蓝色染料，搅拌10min，冷却待用。
实施例6
将基础组分70号微晶蜡42g和64号全精炼石蜡蜡55g加入烧杯内，加热搅拌，再加入优化添加剂组分EVA树脂3g，控制物料温度不高于150℃，待物料全部熔融，混合均匀后，加入蓝色染料，搅拌10min，冷却待用。
实施例7
将基础组分费托蜡60g和韩国微晶蜡170s45g加入烧杯内，加热搅拌，再加入优化添加剂组分棕榈蜡50g，30烷酸5g，控制物料温度不高于150℃，待物料全部熔融，混合均匀后，加入蓝色染料，搅拌10min，冷却待用。
实施例8
将基础组分蒙旦蜡30g、64号全精炼石蜡60g和70号微晶蜡40g加入烧杯内，加热搅拌，控制物料温度不高于150℃，待物料全部熔融，混合均匀后，加入蓝色染料，搅拌10min，冷却待用。
实施例9
将基础组分沙索蜡50g和韩国微晶蜡170s 50g加入烧杯内，加热搅拌，再加入优化添加剂组分酯基蜡15g，28烷酸6g，聚酯树脂5g，控制物料温度不高于150℃，待物料全部熔融，混合均匀后，加入蓝色染料，搅拌10min，冷却待用。
实施例10
将基础组分64号全精炼石蜡89g、聚丙烯蜡1g、沙索蜡50g加入烧杯内，加热搅拌，再加入优化添加剂组分松香2g，28烷酸2g，聚异丁烯6g，控制物料温度不高于150℃，待物料全部熔融，混合均匀后，加入蓝色染料，搅拌10min，冷却待用。
实施例11
将二十烷酸30g，十八烷酸35g加入烧杯内，加热搅拌，松香酯35g控制物料温度不高于150℃，待物料全部熔融，混合均匀后，加入红色染料，搅拌10min，冷却待用。
实施例12
将二十二烷酸25g，二十八烷酸30g加入烧杯内，加热搅拌，松香季戊四醇酯50g控制物料温度不高于150℃，待物料全部熔融，混合均匀后，加入红色染料，搅拌10min，冷却待用。
实施例13
将二十烷醇35g，二十烷酸33g加入烧杯内，加热搅拌，脂松香45g控制物料温度不高于150℃，待物料全部熔融，混合均匀后，加入红色染料，搅拌10min，冷却待用。
实施例14
将三十六烷醇35g，二十八烷酸33g加入烧杯内，加热搅拌，聚合松香25g控制物料温度不高于150℃，待物料全部熔融，混合均匀后，加入红色染料，搅拌10min，冷却待用。
实施例15
将二十六烷醇30g，二十烷酸30g加入烧杯内，加热搅拌，马来松香40g控制物料温度不高于150℃，待物料全部熔融，混合均匀后，加入红色染料，搅拌10min，冷却待用。
以上实例，所得结构材料，支架材料在3D打印机内熔融后有良好的流动性，满足3D打印机的精密喷嘴的要求，同时与之配合打印成型精密细小的三维结构。去除支架材料后的结构材料模型，可以用于精密铸造，满足精密领域对尺寸精度到高要求。
以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种用于3D打印技术制作三维物体的材料，其特征在于：该材料包含:结构材料，用于3D打印过程中形成三维物体；支架材料，用于在3D打印过程中对三维物体悬空的部分提供支撑；
所述结构材料包括基础组分，所述基础组分为烃蜡、合成蜡、PE蜡、低分子量聚乙烯之一或其组合；
所述支架材料包括(1)含有16-50个碳原子的醇或酸；(2)松香、改性松香或松香衍生物。
2.根据权利要求1所述的一种用于3D打印技术制作三维物体的材料，其特征在于：所述烃蜡包括碳原子数在17-200的烃蜡、石蜡、微晶蜡、费托蜡、沙索蜡，所述合成蜡包括氧化聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、合成酰胺蜡、蒙旦蜡。
3.根据权利要求1所述的一种用于3D打印技术制作三维物体的材料，其特征在于：所述结构材料还包括优化添加剂一，所述优化添加剂一包含含有羧基、羟基、酯基的蜡，地蜡、褐煤蜡、蜂蜡，包含含有16-50各碳原子的醇或酸、虫白蜡、棕榈蜡、小烛树蜡之一或其组合。
4.根据权利要求3所述的一种用于3D打印技术制作三维物体的材料，其特征在于：所述优化添加剂一限定其熔点或环球软化点在50-120℃，所述优化添加剂一占结构材料重量的0.1-50％。
5.根据权利要求1或3所述的一种用于3D打印技术制作三维物体的材料，其特征在于：所述结构材料还包括优化添加剂二，所述优化添加剂二包含萜烯树脂及改性萜烯树脂、松香及松香衍生物、石油树脂及改性石油树脂、C5树脂、C9树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、古马隆树脂、EVA树脂、聚异丁烯之一或其组合。
6.根据权利要求5所述的一种用于3D打印技术制作三维物体的材料，其特征在于：所述优化添加剂二限定其熔点或环球软化点在50-150℃，所述优化添加剂二占结构材料重量的0.1-50％。
7.根据权利要求1所述的一种用于3D打印技术制作三维物体的材料，其特征在于：所述基础组分限定其熔点或环球软化点在约60-90℃，所述基础组分占结构材料重量的40-100％。
8.根据权利要求1所述的一种用于3D打印技术制作三维物体的材料，其特征在于：所述含有16-50个碳原子的醇或酸限定其熔点或环球软化点在40-85℃，所述含有16-50个碳原子的醇或酸占支架材料重量的30-70％；所述松香、所述改性松香或所述松香衍生物限定其熔点或环球软化点在约40-120℃，所述松香、所述改性松香或所述松香衍生物占支架材料重量的30-70％。
9.根据权利要求1所述的一种用于3D打印技术制作三维物体的材料，其特征在于：所述松香包括1-5级松香、木松香、脂松香和浮油松香，所述改性松香包括氢化松香、聚合松香、马来松香和歧化松香，所述松香衍生物包括松香甘油酯、松香季戊四醇酯、松香酸酐和松香醇。
10.一种如权利要求1所述的用于3D打印技术制作三维物体的材料的制备方法，其特征在于：包括结构材料的制备方法和支架材料的制备方法；
所述结构材料的制备方法：(1)首先将所述基础组分计量后加入容器内，然后加热搅拌，并控制物料温度不超过180℃；(2)将优化添加剂一或优化添加剂二或两者的组合，计量后加入该容器内，继续加热搅拌，并控制物料温度不超过180℃，直到全部物料熔融，并混合均匀，最后进行过滤后装入存储容器；
所述支架材料的制备方法：(1)首先将含有16-50各碳原子的醇或酸计量后加入容器内，然后加热搅拌，并控制物料温度不超过180℃；(2)将松香或松香衍生物计量后加入该容器内，继续加热搅拌，并控制物料温度不超过180℃，直到全部物料熔融，并混合均匀，最后进行过滤后装入存储容器。
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