CN106589941B - 激光烧结3d打印技术用玻纤增强核桃壳复合粉末材料 - Google Patents

激光烧结3d打印技术用玻纤增强核桃壳复合粉末材料 Download PDF

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Abstract

激光烧结3D打印技术用玻纤增强核桃壳复合粉末材料，该复合粉末材料包括热熔胶粉、核桃壳粉、玻璃纤维粉、光吸收剂和流动助剂，其中热熔胶粉的体积分数为60％～70％，核桃壳粉末体积分数为28％～40％，玻璃纤维粉的体积分数为0～12％，光吸收剂的体积分数为0.2～1％，流动助剂的体积分数为0.2～1.5％。将各组分按照一定工艺顺序配置得到激光烧结3D打印技术用玻纤增强核桃壳复合粉末材料，该材料的SLS成型件相较基体核桃壳复合粉末材料的SLS成型件在拉伸强度、弯曲强度、模量及成型件密度上得到较大幅度的提升，表面光洁度和精度较好，使用玻璃纤维增强还能有效降低材料成本。

Description

激光烧结3D打印技术用玻纤增强核桃壳复合粉末材料
技术领域
本发明涉及材料领域，具体涉及激光烧结3D打印技术用玻纤增强核桃壳复合粉末材料。
背景技术
选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering，简称SLS)是目前被广泛应用的一种快速成型技术，其成型工艺原理是首先建立所成型零件的三维数字模型，然后用三维切片软件对三维模型进行切片处理，获得每个加工层面的数据信息，再将截面数据信息生成扫描轨迹，在计算机的控制下，根据生成的轨迹信息，利用激光束对热熔胶粉末材料逐层扫描烧结，最终完成零件的加工制造。SLS技术可应用的材料范围非常广泛，包括高分子材料、金属、陶瓷及其复合材料等。
在选择性激光烧结工艺中，粉末材料是影响制件性能的关键因素。由于高分子与金属和陶瓷材料相比，具有成型温度低、烧结功率小的等优点，从而成为目前应用最多也是应用最成功的SLS材料。而应用此工艺的高分子复合材料也得到广泛的发展，如植物纤维复合材料。但是这类复合材料强度低、刚性差，通过SLS技术所成型产品不能满足某些成型件机械性能测试要求或者直接作为最终产品使用的性能需求。
为满足植物生纤维复合材料SLS制件作为终端产品直接使用的力学性能要求，提出了将玻璃纤维添加核桃壳复合粉末材料中，玻璃纤维具有拉伸强度高、刚性佳、尺寸稳定好、耐热性好等特点，经玻璃纤维增强的核桃壳复合材料，其SLS成型件相较于核桃壳复合材料的SLS成型件在强度和模量上有较大提高，增加了SLS成型件的应用范围。
发明内容
本发明提供了激光烧结3D打印技术用玻纤增强核桃壳复合粉末材料，该材料SLS成型件具有良好的力学性能，能更多的满足SLS成型件作为终端产品直接使用的性能要求。
本发明涉及激光烧结3D打印技术用玻纤增强核桃壳复合粉末材料，该粉末材料包括热熔胶粉、核桃壳粉、玻璃纤维粉、流动剂和光吸收剂，其中热熔胶粉的体积分数为60％～70％，核桃壳粉末体积分数为28％～40％，玻璃纤维粉的体积分数为0～12％，光吸收剂的体积分数为0.2～1％，流动助剂的体积分数为0.2～1.5％。
在激光烧结3D打印技术用玻纤增强核桃壳复合粉末材料中，随着增强相玻璃纤维组分含量的提高，其成型件强度基本呈上升趋势，但玻璃纤维组分含量过高时，玻纤增强核桃壳复合粉末流动性差，SLS成型件表面粗糙。而流动助剂能改善材料的流动性能，光吸收剂能使热熔胶粉末充分熔化，增大与玻璃纤维的接触面积，但在以二氧化碳激光器作为能量源的SLS工艺过程中，不同于核桃壳复合粉末材料吸收激光能量实现熔融粘结过程，流动助剂和光吸收剂在该过程中均以固体形态存在，因此两者组分含量过高也会降低熔融态组分粘结效果。
本发明中可用的热熔胶粉末可以是PES、EVA、TPU其中的一种或几种。SLS工艺过程中，粉末粒径分布影响铺粉过程和成型件表面质量。当粉末粒径过小时，粉体之间的摩擦力增大，粘着力变大，流动性变差，不利于铺粉；当粉末粒径过大时，铺粉过程会产生刮痕，且成型件表面粗糙。实验表明，粉末粒径分布在20～150微米，优选粒径范围30～100微米，呈正态分布且形貌基本为微棱不规则块体，具有良好的流动性，有利于铺粉和烧结。
本发明中优选的玻璃纤维的直径为7～10微米，长度为106～120微米，其形貌为圆柱形短切纤维。通常玻璃纤维越长，增强效果越好，但玻璃纤维本身具有一定的弯曲度，玻璃纤维太长容易发生团聚，形成絮状物，降低了粘结强度。玻璃纤维长径比过短则增强效果不明显，反而影响成型件的断裂伸长率。
本发明中流动助剂的添加可以增加玻纤增强核桃壳复合粉末的加工流动性，改善成型件的表面光洁度，流动助剂可以为纳米氧化铝、纳米氧化锌、纳米二氧化硅中的一种或几种。
本发明中光吸收剂的添加可以使玻纤增强核桃壳复合粉末充分吸收激光能量，使热熔胶粉末充分熔化，增大与玻璃纤维的接触面积，光吸收剂为苯酮类、苯并三哩类、取代丙烯睛类、三嗦类与受阻胺类光吸收剂中的一种或几种。
本发明公开的激光烧结3D打印技术用玻纤增强核桃壳复合粉末材料，可经如下步骤获得：
(1)按照设计的组分比例取各组分材料，其中热熔胶粉的体积分数为60％～70％，核桃壳粉末体积分数为28％～40％，玻璃纤维粉的体积分数为0～12％，流动助剂的体积分数为0.2～1％，光吸收剂的体积分数为0.2～1％。
(2)将PES热熔胶粉末与干燥、筛分后的均匀的核桃壳粉末、流动助剂、光吸收剂运用高速混合机进行混合，混合时间为20～30min，得到核桃壳复合粉末材料。
(3)将玻璃纤维粉末进行筛分，筛除玻璃纤维粉末中团聚的部分和杂质，获得一定粒径范围的粉末；
(4)将核桃壳复合粉末与玻璃纤维粉末放入到高速混合机中进行搅拌混合，搅拌时间为20～30min，即可获得激光烧结3D打印技术用玻纤增强核桃壳复合粉末材料。
本发明制备的玻纤增强核桃壳复合粉末材料SLS工艺成型效果好，成型件强度、模量和耐热性较高，可广泛应用于机械、电子电气、航天航空、军工、交通运输等领域中结构功能件的测试或终端零件的直接制造。
具体实施方式
以下，对本发明实施例进行叙述，但本发明并不限定于此：
实施例1
(1)按照以下数据准确量取各组分：PES热熔胶粉末为2400ml，核桃壳粉末为1600ml，玻璃纤维粉末为0ml，流动助剂为20ml，光吸收剂为20ml。
(2)将粉碎后的核桃壳粉末进行干燥，用振动筛进行筛分，得到颗粒大小均匀的核桃壳粉末；
(3)用2400ml的PES热熔胶粉末与1600ml均匀的核桃壳粉末、20ml的流动助剂、20ml的光吸收剂运用高速混合机进行混合，混合时间为20～30min，得到核桃壳复合粉末材料。
(4)将玻璃纤维粉末进行筛分，筛除玻璃纤维粉末中团聚的部分和杂质，获得一定粒径范围的粉末；
(5)将核桃壳复合粉末与玻璃纤维粉末放入到高速混合机中进行搅拌混合，搅拌时间为20～30min；
(6)步骤(5)中搅拌好的材料即为激光烧结3D打印技术用玻纤增强核桃壳复合粉末材料。
实施例2
(1)按照以下数据准确量取各组分：PES热熔胶粉末为2400ml，核桃壳粉末为1504ml，玻璃纤维粉末为96ml，流动助剂为20ml，光吸收剂为20ml。
(2)将粉碎后的核桃壳粉末进行干燥，用振动筛进行筛分，得到颗粒大小均匀的核桃壳粉末；
(3)用2400ml的PES热熔胶粉末与1600ml均匀的核桃壳粉末、20ml的流动助剂、20ml的光吸收剂运用高速混合机进行混合，混合时间为20～30min，得到核桃壳复合粉末材料。
(4)将玻璃纤维粉末进行筛分，筛除玻璃纤维粉末中团聚的部分和杂质，获得一定粒径范围的粉末；
(5)将核桃壳复合粉末与玻璃纤维粉末放入到高速混合机中进行搅拌混合，搅拌时间为20～30min；
(6)步骤(5)中搅拌好的材料即为激光烧结3D打印技术用玻纤增强核桃壳复合粉末材料。
实施例3
(1)按照以下数据准确量取各组分：PES热熔胶粉末为2400ml，核桃壳粉末为1376ml，玻璃纤维粉末为224ml，流动助剂为20ml，光吸收剂为20ml。
(2)将粉碎后的核桃壳粉末进行干燥，用振动筛进行筛分，得到颗粒大小均匀的核桃壳粉末；
(3)用2400ml的PES热熔胶粉末与1600ml均匀的核桃壳粉末、20ml的流动助剂、20ml的光吸收剂运用高速混合机进行混合，混合时间为20～30min，得到核桃壳复合粉末材料。
(4)将玻璃纤维粉末进行筛分，筛除玻璃纤维粉末中团聚的部分和杂质，获得一定粒径范围的粉末；
(5)将核桃壳复合粉末与玻璃纤维粉末放入到高速混合机中进行搅拌混合，搅拌时间为20～530min；
(6)步骤(5)中搅拌好的材料即为激光烧结3D打印技术用玻纤增强核桃壳复合粉末材料。
实施例4
(1)按照以下数据准确量取各组分：PES热熔胶粉末为2400ml，核桃壳粉末为1312ml，玻璃纤维粉末为288ml，流动助剂为20ml，光吸收剂为20ml。
(2)将粉碎后的核桃壳粉末进行干燥，用振动筛进行筛分，得到颗粒大小均匀的核桃壳粉末；
(3)用2400ml的PES热熔胶粉末与1600ml均匀的核桃壳粉末、20ml的流动助剂、20ml的光吸收剂运用高速混合机进行混合，混合时间为20～30min，得到核桃壳复合粉末材料。
(4)将玻璃纤维粉末进行筛分，筛除玻璃纤维粉末中团聚的部分和杂质，获得一定粒径范围的粉末；
(5)将核桃壳复合粉末与玻璃纤维粉末放入到高速混合机中进行搅拌混合，搅拌时间为20～30min；
(6)步骤(5)中搅拌好的材料即为激光烧结3D打印技术用玻纤增强核桃壳复合粉末材料。
实施例5
(1)按照以下数据准确量取各组分：PES热熔胶粉末为2400ml，核桃壳粉末为1248ml，玻璃纤维粉末为352ml，流动助剂为20ml，光吸收剂为20ml。
(2)将粉碎后的核桃壳粉末进行干燥，用振动筛进行筛分，得到颗粒大小均匀的核桃壳粉末；
(3)用2400ml的PES热熔胶粉末与1600ml均匀的核桃壳粉末、20ml的流动助剂、20ml的光吸收剂运用高速混合机进行混合，混合时间为20～30min，得到核桃壳复合粉末材料。
(4)将玻璃纤维粉末进行筛分，筛除玻璃纤维粉末中团聚的部分和杂质，获得一定粒径范围的粉末；
(5)将核桃壳复合粉末与玻璃纤维粉末放入到高速混合机中进行搅拌混合，搅拌时间为20～30min；
(6)步骤(5)中搅拌好的材料即为激光烧结3D打印技术用玻纤增强核桃壳复合粉末材料。
实施例6
(1)按照以下数据准确量取各组分：PES热熔胶粉末为2400ml，核桃壳粉末为1184ml，玻璃纤维粉末为416ml，流动助剂为20ml，光吸收剂为20ml。
(2)将粉碎后的核桃壳粉末进行干燥，用振动筛进行筛分，得到颗粒大小均匀的核桃壳粉末；
(3)用2400ml的PES热熔胶粉末与1600ml均匀的核桃壳粉末、20ml的流动助剂、20ml的光吸收剂运用高速混合机进行混合，混合时间为20～30min，得到核桃壳复合粉末材料。
(4)将玻璃纤维粉末进行筛分，筛除玻璃纤维粉末中团聚的部分和杂质，获得一定粒径范围的粉末；
(5)将核桃壳复合粉末与玻璃纤维粉末放入到高速混合机中进行搅拌混合，搅拌时间为20～30min；
(6)步骤(5)中搅拌好的材料即为激光烧结3D打印技术用玻纤增强核桃壳复合粉末材料。
下表为核桃壳复合粉末材料SLS成型件与玻纤增强核桃壳复合粉末材料SLS成型件的强度、模量与密度对比

Claims (3)

1.激光烧结3D打印技术用玻纤增强核桃壳复合粉末材料，其特征在于， 所述的玻纤增强核桃壳复合粉末材料的组分包括热熔胶粉、核桃壳粉、玻璃纤维粉、光吸收剂和流动助剂；
所述的玻纤增强核桃壳复合粉末材料的组分：以体积百分比计，热熔胶粉的体积分数为60%～70%，核桃壳粉体积分数为28%～40%，玻璃纤维粉的体积分数为2～10%，光吸收剂的体积分数为0.2～1%，流动助剂的体积分数为0.2～1%；所有组分体积分数之和为100%；
所述核桃壳粉的粒径分布范围为58～75微米，呈正态分布，形貌为表面多孔的近似球状颗粒；
所述的玻璃纤维粉的直径为7～10微米，长度为106～120微米，其形貌为圆柱形短切纤维；
所述流动助剂为纳米氧化锌。
2.根据权利要求1所述激光烧结3D打印技术用玻璃增强核桃壳复合粉末材料，其特征在于，所述的热熔胶粉为PES热熔胶粉末，其粒径分布范围为≤60微米，形貌为表面光滑不规则的块状颗粒。
3.根据权利要求1所述激光烧结3D打印技术用玻璃增强核桃壳复合粉末材料，其特征在于，所述的光吸收剂为苯酮类、取代丙烯腈类与受阻胺类光吸收剂中的一种或几种。
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