CN107521118B - 一种3d打印工件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种3D打印工件的制备方法：将3D打印工件浸没在流动状态的充模物中，将流动状态的充模物固化，得到由固态的充模物包裹着的3D打印工件，将包裹着固态的充模物的3D打印工件烧结，使3D打印工件融化；冷却得到固化的3D打印工件，除去固化的3D打印工件外部的充模物。本发明提供的3D打印工件的制备方法，一方面，由于3D打印具有成型快、便于修改等优点，从而使本发明提供的3D打印工件的制备方法加工效率得以提升；另一方面，与传统的3D打印相比较而言，本发明通过烧结的形式释放了3D打印工件的内应力，提高了产品的均匀性和强度。本发明特别适用于具有复杂结构的聚合物产品的生产，避免了复杂的模具的生产设计，从而简化了工序。
Description
技术领域
本发明属于3D打印产品的生产技术领域，尤其涉及一种3D打印工件的制备方法。
背景技术
现有技术中，技术相对成熟的注塑工艺在聚合物的成型加工生产中应用广泛，且能获得强度均匀性良好的产品。但是，注塑工艺难以摆脱模具的制约，不仅开模成本高，其复杂的模具设计也受到限制。
随着3D打印技术的飞速发展，3D打印技术已被广泛应用到诸多领域中。其3D打印是一种快速成形技术，其工作过程为：先通过计算机软件建立模型，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，从而指导打印机逐层打印，并将薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型。
由于3D打印的原理是通过材料的逐层堆积实现整个模型的打印，故打印件整体内部存在各向异性特点，内部层间粘接力差，造成制件垂直于切片方向的强度低，影响打印件的使用性能，限制了3D打印工件的实际应用，因此，很多3D打印制件还只能作为概念模型而不能作为功能性零件使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中的3D打印工件造成的内部层间粘接力差的技术缺陷，提供一种3D打印工件的制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
提供一种3D打印工件的制备方法，包括：
将3D打印工件浸没在流动状态的充模物中，将流动状态的充模物固化，得到由固态的充模物包裹着的3D打印工件；
将包裹着固态的充模物的3D打印工件烧结，使3D打印工件融化；
冷却得到固化的3D打印工件，除去固化的3D打印工件外部的充模物。
可选地，烧结的温度大于或等于所述3D打印工件融化的温度。
可选地，所述“将流动状态的充模物固化”之前还包括：
对流动状态的充模物除气。
可选地，所述“将包裹着固态的充模物的3D打印工件烧结”之前还包括：
对包裹着固态的充模物的3D打印工件和充模物除湿。
可选地，所述充模物包括石膏乳、水玻璃及硅溶胶的一种或多种。
可选地，所述3D打印工件为热塑性聚合物材料及其衍生物。
可选地，所述热塑性聚合物材料包括聚碳酸酯、尼龙、聚乳酸、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮的一种或多种。
可选地，烧结的温度大于或等于热塑性聚合物材料及其衍生物的粘流温度或者熔点，且烧结的温度低于热塑性聚合物材料及其衍生物发生变形的温度。
可选地，所述“除去固化的3D打印工件外部的充模物”包括：
对固化后的3D打印工件进行敲打或者高压冲洗，使固态的充模物脱落。
可选地，所述3D打印工件的制备方法还包括：对去除固态的充模物后的3D打印工件进行打磨处理。
可选地，在所述“将3D打印工件浸没在流动状态的充模物中”之前还包括：所述3D打印工件由熔融沉积成型法或选择性激光烧结法制得。
本发明提供的3D打印工件的制备方法，
上述实施例提供的3D打印工件的制备方法，通过对3D打印工件进行充模物浸没和烧结处理，将3D打印与传统工艺相结合，一方面，由于3D打印具有成型快、便于修改等优点，从而使本发明提供的3D打印工件的制备方法加工效率得以提升；另一方面，与传统的3D打印技术相比较而言，本发明通过烧结的形式释放了3D打印工件的内应力，提高了产品的均匀性和强度。与现有的成熟的注塑工艺相比较，浸没在3D打印工件周围的充模物固化成型后形成约束3D打印工件的“模具”，省去了传统模具的设计，也减少了开模工序，提高了制造效率，降低了生产成本。本发明特别适用于具有复杂结构的聚合物产品的生产，避免了复杂的模具的生产设计，从而简化了工序。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种3D打印工件的制备方法，包括将3D打印工件浸没在流动状态的充模物中，将流动状态的充模物固化，得到由固态的充模物包裹着的3D打印工件。将包裹着固态的充模物的3D打印工件烧结，使3D打印工件融化。冷却得到固化的3D打印工件，除去固化的3D打印工件外部的充模物。
其中，烧结的温度大于或等于所述3D打印工件融化的温度。
本发明中，所述“将流动状态的充模物固化”之前还包括：对流动状态的充模物除气。可用真空除气或者振动以去除流动状态的充模物中的空气。使固化后的充模物能够紧密地包裹3D打印工件，从而能够使充模物与3D打印工件能够更好地贴合，有利于在后续烧结过程中保证3D打印工件的精度及3D打印工件的紧实度。
所述“将包裹着固态的充模物的3D打印工件烧结”之前还包括：对包裹着固态的充模物的3D打印工件和充模物除湿，以去除充模物以及3D打印工件中的水分。
其中，所述充模物包括石膏乳、水玻璃及硅溶胶的一种或多种。所述充模物具有流动性，能够对3D打印工件进行包裹并填充其缝隙，且在固化后能够形成包裹3D打印工件的“模具”。
3D打印工件为热塑性聚合物材料及其衍生物。其中，所述热塑性聚合物材料包括聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、尼龙(Polyamide，PA)、聚乳酸(Polylactide PLA)、聚醚酰亚胺(Polyetherimide，PEI)、聚醚醚酮(Poly-ether-ether-ketone，PEEK)的一种或多种。
当3D打印工件为热塑性聚合物材料及其衍生物时，烧结的温度大于或等于热塑性聚合物材料的粘流温度或者熔点，且烧结的温度低于热塑性聚合物材料及其衍生物发生变性的温度。具体来说，当热塑性聚合物材料为结晶物时，烧结的温度大于或等于热塑性聚合物材料的熔点，当热塑性聚合物材料为非结晶物时，烧结的温度大于或等于热塑性聚合物材料的粘流温度。这样既能使3D打印工件熔融又能保证3D打印工件不发生变性，从而不影响3D打印工件原本的性能。当然，本文所指的热塑性聚合物材料包括但不限于聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、尼龙(Polyamide，PA)、聚乳酸(Polylactide PLA)、聚醚酰亚胺(Polyetherimide，PEI)、聚醚醚酮(Poly-ether-ether-ketone，PEEK)。
所述“除去固化的3D打印工件外部的充模物”包括：对烧结后的3D打印工件进行敲打或者高压冲洗，使固态的充模物脱落。对去除固态的充模物后的3D打印工件进行打磨处理。
本发明提供的3D打印工件的制备方法，对3D打印工件的来源不做具体的限制，可以由原材料通过3D打印机通过熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)法、选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)等不同的方式打印得到，也可以通过其他3D打印方式得到，也可以直接购买，然后经过本发明提供的方法，进行二次加工。
第一实施例
将通过熔融沉积成型(FDM)方式打印得到的聚醚醚酮(poly-ether-ether-ketone，PEEK)3D打印工件放入烧结罐中。然后将调配好的石膏乳倒入烧结罐中，待石膏乳足够浸没3D打印工件后，迅速将烧结罐放入真空箱中抽真空，真空度＜100Pa，操作时间＜5min，直至无气泡冒出。
将烧结罐迅速放入真空箱中，真空箱中其真空度＜100Pa，操作时间＜5min，直至无气泡冒出。除气后，将烧结罐静置24h，待石膏乳固化，得到由固态的石膏包裹着的3D打印工件。
将烧结罐置于180℃的烘箱内干燥5-10h，以去除固态的石膏以及3D打印工件中的水分。去除水分后，将装有包裹着固态的石膏的3D打印工件的烧结罐置于烧结炉中，烧结炉以20-200℃/h的升温速度升温至350-400℃，保温时间为1-4h。之后自然降温至室温取出。利用高压水枪清洗包裹在固态的3D打印工件外部的石膏，除去石膏后，3D打印工件露出，对3D打印工件进行打磨清洗得到S1。
其中，烧结的保温时间根据烧结炉升温所需的时间的变化而变化，而烧结炉的升温时间根据3D打印工件的原材料的差异及其尺寸的大小不同而不同，对于热塑性聚合物材料及其衍生物来说，其保温时间为0.5-5h。
第二实施例
将通过选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)方式打印得到的聚醚醚酮(poly-ether-ether-ketone，PEEK)3D打印工件放入烧结罐中。然后将调配好的石膏乳倒入烧结罐中，待石膏乳足够浸没3D打印工件后，迅速将烧结罐放入真空箱中抽真空，真空度＜100Pa，操作时间＜5min，直至无气泡冒出。
将烧结罐迅速放入真空箱中，真空箱中其真空度＜100Pa，操作时间＜5min，直至无气泡冒出。除气后，将烧结罐静置24h，待石膏乳固化，得到由固态的石膏包裹着的3D打印工件。
将烧结罐置于180℃的烘箱内干燥5-10h，以去除固态的石膏以及3D打印工件中的水分。去除水分后，将装有包裹着固态的石膏的3D打印工件的烧结罐置于烧结炉中，烧结炉以20-200℃/h的升温速度升温至350-400℃，保温时间为1-4h。之后自然降温至室温取出。利用高压水枪清洗包裹在固态的3D打印工件外部的石膏，除去石膏后，3D打印工件露出，对3D打印工件进行打磨清洗得到S2。
第三实施例
将通过熔融沉积成型(FDM)方式打印得到的聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)3D打印工件放入烧结罐中。然后将调配好的石膏乳倒入烧结罐中，待石膏乳足够浸没3D打印工件后，迅速将烧结罐放入真空箱中抽真空，真空度＜100Pa，操作时间＜5min，直至无气泡冒出。
将烧结罐迅速放入真空箱中，真空箱中其真空度＜100Pa，操作时间＜5min，直至无气泡冒出。除气后，将烧结罐静置24h，待石膏乳固化，得到由固态的石膏包裹着的3D打印工件。
将烧结罐置于120℃的烘箱内干燥5-10h，以去除固态的石膏以及3D打印工件中的水分。去除水分后，将装有包裹着固态的石膏的3D打印工件的烧结罐置于烧结炉中，烧结炉以20-200℃/h的升温速度升温至200℃，保温时间为0.5-1h。之后自然降温至室温取出。利用高压水枪清洗包裹在固态的3D打印工件外部的石膏，除去石膏后，3D打印工件露出，对3D打印工件进行打磨清洗得到S3。
第四实施例
将通过熔融沉积成型(FDM)方式打印得到的尼龙(Polyamide，PA)3D打印工件放入烧结罐中。然后将调配好的石膏乳倒入烧结罐中，待石膏乳足够浸没3D打印工件后，迅速将烧结罐放入真空箱中抽真空，真空度＜100Pa，操作时间＜5min，直至无气泡冒出。
将烧结罐迅速放入真空箱中，真空箱中其真空度＜100Pa，操作时间＜5min，直至无气泡冒出。除气后，将烧结罐静置24h，待石膏乳固化，得到由固态的石膏包裹着的3D打印工件。
将烧结罐置于100℃的烘箱内干燥5-10h，以去除固态的石膏以及3D打印工件中的水分。去除水分后，将装有包裹着固态的石膏的3D打印工件的烧结罐置于烧结炉中，烧结炉以20-200℃/h的升温速度升温至270℃，保温时间为2h。之后自然降温至室温取出。利用高压水枪清洗包裹在固态的3D打印工件外部的石膏，除去石膏后，3D打印工件露出，对3D打印工件进行打磨清洗得到S4。
第一对比例
通过熔融沉积成型(FDM)方式打印得到的聚醚醚酮(poly-ether-ether-ketone，PEEK)3D打印工件D1。
第二对比例
通过选择性激光烧结(SLS)方式打印得到的聚醚醚酮(poly-ether-ether-ketone，PEEK)3D打印工件D2。
第三对比例
通过熔融沉积成型(FDM)方式打印得到的聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)3D打印工件D3。
第四对比例
通过熔融沉积成型(FDM)方式打印得到的尼龙(Polyamide，PA)3D打印工件D4。
将上述实施例及对比例得到的3D打印工件进行拉伸强度的检测，将测得的结果填入表1。
表1
由以上结果可知，经过烧结的3D打印工件较未烧结的3D打印工件，其拉伸强度均得到了较大程度的提升，这是因为烧结温度高于聚合物的粘流温度或者熔点，流动状态的聚合物在由固化后的充模物形成的模型内重新塑型，从而使聚合物的内应力得到释放，提高了3D打印工件的材料均匀性和强度。由S1及D1与S2及D2结果对比可知，当3D打印工件的材料相同时，通过熔融沉积成型(FDM)方式得到的3D打印工件经本发明的方法处理后，其拉伸性能提升得较高，效果显著。由S1及D1、S3及D3、S4及D4的结果对比可知，当3D打印工件的原始制备方法一致时，材料为聚醚醚酮(PEEK)的3D打印工件经本发明的方法处理后其拉伸性能提升明显。
上述实施例提供的3D打印工件的制备方法，通过对3D打印工件进行充模物浸没和烧结处理，将3D打印与传统工艺相结合，一方面，由于3D打印具有成型快、便于修改等优点，从而使本发明提供的3D打印工件的制备方法加工效率得以提升；另一方面，与传统的3D打印技术相比较而言，本发明通过烧结的形式释放了3D打印工件的内应力，提高了产品的均匀性和强度。与现有的成熟的注塑工艺相比较，浸没在3D打印工件周围的充模物固化成型后形成约束3D打印工件的“模具”，省去了传统模具的设计，也减少了开模工序，提高了制造效率，降低了生产成本。本发明特别适用于具有复杂结构的聚合物产品的生产，避免了复杂的模具的生产设计，从而简化了工序。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种3D打印工件的制备方法，其特征在于，包括：
将3D打印工件浸没在流动状态的充模物中，将流动状态的充模物固化，得到由固态的充模物包裹着的3D打印工件；
将包裹着固态的充模物的3D打印工件烧结，使3D打印工件融化，烧结的温度大于或等于热塑性聚合物材料的粘流温度或者熔点，且烧结的温度低于热塑性聚合物材料及其衍生物发生变性的温度；
冷却得到固化的3D打印工件，除去固化的3D打印工件外部的充模物；
所述充模物包括石膏乳、水玻璃及硅溶胶的一种或多种；
所述3D打印工件为聚碳酸酯、尼龙、聚乳酸、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮的一种或多种。
2.如权利要求1所述的3D打印工件的制备方法，其特征在于，所述将流动状态的充模物固化之前还包括：
对流动状态的充模物除气。
3.如权利要求1所述的3D打印工件的制备方法，其特征在于，所述将包裹着固态的充模物的3D打印工件烧结之前还包括：
对包裹着固态的充模物的3D打印工件和充模物除湿。
4.如权利要求1所述的3D打印工件的制备方法，其特征在于，所述除去固化的3D打印工件外部的充模物包括：
对固化后的3D打印工件进行敲打或者高压冲洗，使固态的充模物脱落。
5.如权利要求1所述的3D打印工件的制备方法，其特征在于，所述3D打印工件的制备方法还包括：对去除固态的充模物后的3D打印工件进行打磨处理。
6.如权利要求1所述的3D打印工件的制备方法，其特征在于，在所述将3D打印工件浸没在流动状态的充模物中之前还包括：所述3D打印工件由熔融沉积成型法或选择性激光烧结法制得。
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