CN108407283A - 一种新型熔融沉积成形3d打印方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种新型熔融沉积成形3D打印方法及装置，所打印材料为表面纳米矿物材料覆层的聚合物丝材；基本的工艺方法为：将聚合物溶解于CHCl3溶液中，并放入纳米矿物材料，经超声波震动获得均匀涂液；将聚合物裸丝穿过上述涂液并经过真空干燥获得表面纳米矿物材料覆层的聚合物丝材；通过熔融沉积成形3D打印机打印成形，获得纳米矿物材料/聚合物复合材料模型；将上述模型通过微波加热后处理，纳米矿物材料吸收微波，对模型熔丝间界面产生原位再熔焊接，从而增加模型强度。其基本的打印装置包括箱体、固定支架及U型管、丝辊、超声波发生器、真空干燥器、导引管、导引管卡扣、收口器、熔融沉积成形3D打印机、微波处理器。能够实现3D打印模型熔丝间界面再熔焊接。

Description

一种新型熔融沉积成形3D打印方法及装置
技术领域
本发明涉及一种新型熔融沉积成形3D打印方法及装置，属于先进智能制造领域。
技术背景
3D打印技术，又称为增材制造(Additive Manufacturing)技术和快速成型(RapidRrototyping)技术，它首先获得三维实体模型后，进行切片处理获得二维层片文件，完成数字分层过程；然后运用合适的工艺方法将液态光敏树脂材料、粉末材料、箔材材料、丝材材料等，在上述二维层片文件驱动下，分层制造并逐层累积，最终获得三维实物模型。3D打印技术无需机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体，从而极大地 缩短了产品的生产周期，提高了生产率。3D打印技术可用于珠宝首饰、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、土木工程等诸多领域，常常被用于制造模型或者用于一些产品的直接制造。新近几年，3D打印技术在世界范围内，获得广泛关注，尤其在中国，已经作为发展智能制造、实施“中国制造2025”的重要突破点。
在诸多实现3D打印技术的工艺方法中，熔融沉积成形3D打印，是利用低熔点的易熔丝 材材料，通过熔化并逐层沉积成形实物，其使用和维护成本较低，耗材比较廉价，且容易做 成桌面机形式，目前市场化程度最高。但是，熔融沉积成形3D打印工艺，熔丝轨迹之间的 结合界面处，存在明显的沟痕，连接强度比较薄弱，整体实物的强度不够高，从而制约了该 3D打印工艺的发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型熔融沉积成形3D打印方法及装置，解决了3D打印的连续 熔丝轨迹之间的焊接比较弱，时常导致层间分离而产生机械失效的问题，增强了3D打印的 工业应用。
本发明的目的是这样实现的，新型熔融沉积成形3D打印方法及装置：
a、将聚合物溶解于三氯甲烷溶液中，获得固体含量为4mg/ml的溶液；将纳米矿物材料放入 上述溶液，且经过超声波震动，获得纳米矿物材料浓度为8％—9％的均匀涂液；将涂液装入 U型管中，U型管直径为Ф30mm—Ф40mm；
b、直径为1.75mm的聚合物裸丝穿过装有涂液的U型管，获得厚度为10μm—15μm的纳米 矿物材料涂覆层，U型管出口处收口器的尺寸与之匹配，确保涂层厚度足够且均匀；涂覆时， 进丝速度为30mm/s—40mm/s，确保涂液涂覆时间足够，涂覆层厚度足够；
c、将涂覆有纳米矿物材料涂覆层的聚合物丝从U型管导入真空干燥器进行烘干，温度为150℃ —160℃；真空干燥器长度尺寸可调，确保烘干时间足够，获得表面纳米矿物材料覆层的聚合 物丝材；
d、将表面纳米矿物材料覆层的聚合物丝材从真空干燥器导入熔融沉积成形3D打印机，打印 喷头的温度为200℃—240℃，获得纳米矿物材料/聚合物复合材料实物模型；
e、将纳米矿物/聚合物复合材料实物模型放入微波炉中进行后处理，纳米矿物材料吸收微波， 对实物模型中熔丝之间的结合界面产生原位再熔焊接，从而增加实物模型的强度；微波频率 为2.45GHZ，输出功率140W—160W，时间50s—60s。
实现上述方法所需的熔融沉积成形3D打印装置,包括箱体、U型管、U型管固定支架、 丝辊、超声波发生器、真空干燥器，U型管中装入纳米矿物材料涂液，U型管入口处、真空干燥器与熔融沉积成形3D打印机喷头之间均设置有导引管，用以束缚和引导丝材，导引管利用卡扣固定；U型管出口处安放收口器，其直径尺寸与表面纳米矿物材料覆层的聚合物丝材直径一致，并将多余的涂液刮除，回流至U型管中；聚合物裸丝从丝辊依次进入U型管及涂液、真空干燥器后，并经导引管进入熔融沉积成形3D打印机。
有益效果：由于采用上述方案，首先在聚合物裸丝表面均匀涂覆一定厚度的纳米矿物材 料涂覆层，经真空干燥后获得表面纳米矿物材料覆层的聚合物丝材；其次，利用熔融沉积成 形3D打印机将上述丝材打印获得纳米矿物材料/聚合物复合材料实物模型，且其中的纳米矿 物材料相分布在熔丝之间的结合界面处；最后，在微波后处理过程中，纳米矿物材料吸收微 波，对实物模型中熔丝之间的结合界面产生原位再熔焊接，且纳米矿物材料获得熔渗，消除 了熔丝轨迹之间的沟痕，如图1所示，从而提高了熔丝轨迹之间的界面连接强度，增加了实 物模型的强度，达到了本发明的目的。
优点：
1.熔融沉积成形3D打印获得的纳米矿物材料/聚合物复合材料实物模型，熔丝轨迹之间的界 面连接强，提高了实物模型的力学性能，且可以方便变换纳米矿物材料和聚合物材料，获得 不同的复合材料实物模型；
2.有效利用了微波加热烧结的特性，加快了生产周期，降低了能耗，节约了成本；
3.由于所采用的熔融沉积成形3D打印机、后处理加热所用的微波炉，均是普通市面所用的 设备，因此，大大降低了使用和维护成本。
附图说明
图1是本发明的微波加热前后界面焊接示意图。
图2是本发明的装置示意图：
图中：1箱体；2、超声波发生器；3、U型管；4、纳米矿物材料涂液；5、导引管；6、导引管卡扣；7、丝辊；8、丝材；9、真空干燥器；10、收口器；11、3D打印机喷头；12、U型 管固定支架；13、3D打印模型；14、微波炉。
具体实施方式
实施例一、新型的熔融沉积成形3D打印的方法及装置，所用材料为碳纳米管和ABS：
a、将ABS溶解于三氯甲烷溶液中，获得固体含量为4mg/ml的溶液；将碳纳米管材料放入上 述溶液，且经过超声波震动，获得碳纳米管材料浓度为10％的均匀涂液；将涂液装入U型管 中，U型管的直径为Ф30mm；
b、直径为1.75mm的ABS裸丝穿过装有涂液的U型管，获得厚度为14μm的碳纳米管材料 涂覆层，U型管出口处收口器的尺寸与之匹配，确保涂层厚度足够且均匀；涂覆时，进丝速 度为40mm/s，确保涂液涂覆时间足够，涂覆层厚度足够；
c、将涂覆有碳纳米管材料涂覆层的ABS丝从U型管导入真空干燥器进行烘干，温度为150℃； 真空干燥器长度尺寸可调，确保烘干时间足够，获得表面碳纳米管材料覆层的ABS丝材；
d、将表面碳纳米管材料覆层的ABS丝材从真空干燥器导入熔融沉积成形3D打印机，打印 喷头的温度为240℃，获得碳纳米管/ABS复合材料实物模型；
e、将碳纳米管/ABS复合材料实物模型放入微波炉中进行后处理，碳纳米管材料吸收微波， 对实物模型中熔丝之间的结合界面产生原位再熔焊接，从而增加实物模型的强度；微波频率 为2.45GHZ，输出功率160W，时间60s。
该方法所用的装置包括箱体1、U型管3、U型管固定支架12、丝辊7、超声波发生器2、真空干燥器9，U型管3中装入碳纳米管材料涂液4，U型管3入口处、真空干燥器9与熔融 沉积成形3D打印机喷头11之间均设置有导引管5，用以束缚和引导ABS丝材8，导引管利 用卡扣6固定；U型管3出口处安放收口器10，其直径尺寸与表面碳纳米管材料覆层的ABS 丝材直径一致，并将多余的涂液刮除，回流至U型管3中；ABS裸丝从丝辊7依次进入U型 管3及涂液4、真空干燥器后，并经导引管5进入熔融沉积成形3D打印机。
本发明的新型熔融沉积成形3D打印的方法：首先，将ABS溶解于三氯甲烷溶液中，获 得固体含量为4mg/ml的溶液；将碳纳米管材料放入上述溶液，获得碳纳米管材料浓度为10％ 的均匀涂液；将涂液装入U型管中，U型管的直径为Ф30mm；其次，牵引ABS裸丝穿过装有涂液的U型管，在ABS裸丝表面获得均匀涂层，涂覆层厚度为14μm，U型管出口处收 口器的尺寸与之匹配，确保涂层厚度且将多余的涂液刮除，回流至U型管中，ABS裸丝直径 为1.75mm，与常规FDM 3D打印丝材一致；然后，将上述涂覆有碳纳米管材料涂覆层的ABS 丝材从U型管导入真空干燥器进行烘干，温度为150℃，获得表面碳纳米管材料覆层的ABS 丝材；然后，将表面碳纳米管材料覆层的ABS丝材通过导引管进入熔融沉积成形3D打印机 的喷头中，3D打印机的喷头温度为240℃，获得碳纳米管/ABS复合材料实物模型；上述涂 覆、烘干、3D打印时，均是通过熔融沉积成形3D打印机牵引进丝，进丝速度为40mm/s， 涂液液面高度可调，确保涂液涂覆时间足够，涂覆层厚度足够；烘干器总长度尺寸可调，确 保烘干时间足够；最后，将碳纳米管/ABS复合材料实物模型放入微波炉内进行加热后处理， 微波参数：频率2.456GHZ，输出功率160W，时间60s。由于碳纳米管材料均匀的覆盖在3D 打印熔丝的界面处并吸收微波，对ABS模型的熔丝之间的界面进行原位再熔焊接，增强了熔 丝之间界面的结合强度，提高了碳纳米管/ABS复合材料实物模型的力学性能。
图2中，新型熔融沉积成形3D打印的装置由1、箱体，2、超声波发生器，3、U型管， 4、纳米矿物材料碳纳米管涂液，5、导引管，6、导引管卡扣，7、丝辊，8、丝材，9、真空 干燥器，10、收口器，11、3D打印机喷头，12、U型管固定支架，13、3D打印模型，14、 微波炉。其中箱体容纳、支撑和固定其他零件。超声波发生器2、U型管3、引导管5、导引 管卡扣6、和纳米矿物材料碳纳米管凃液4和收口器10构成了纳米矿物材料碳纳米管在聚合 物ABS裸丝表面的涂覆装置，在本例中实现纳米矿物材料碳纳米管在聚合物ABS裸丝表面 的涂覆，超声波发生器2确保纳米矿物材料碳纳米管不会沉淀并均匀分布。收口器10的尺寸 可调并与要求的涂层厚度尺寸匹配，同时确保纳米矿物材料碳纳米管涂层均匀并将多余的涂 液刮除，回流至U型管中。烘干器9对涂覆层进行烘干处理，使纳米矿物材料碳纳米管牢固 地附着在聚合物ABS裸丝表面。微波炉13将打印的碳纳米管/ABS复合材料实物模型进行加 热后处理，均匀覆盖在3D打印熔丝界面处的纳米矿物材料碳纳米管吸收微波，并对熔丝界 面进行原位再熔焊接，从而实现熔丝界面的增强，以及碳纳米管/ABS复合材料实物模型力学 性能的提高。
实施例二、新型的熔融沉积成形3D打印的方法及装置，所用材料为纳米SiC和PLA：
a、将PLA溶解于三氯甲烷溶液中，获得固体含量为4mg/ml的溶液；将纳米SiC材料放入上 述溶液，且经过超声波震动，获得纳米SiC材料浓度为9％的均匀涂液；将涂液装入U型管 中，U型管的直径为Ф30mm；
b、直径为1.75mm的PLA裸丝穿过装有涂液的U型管，获得厚度为15μm的纳米SiC材料 涂覆层，U型管出口处收口器的尺寸与之匹配，确保涂层厚度足够且均匀；涂覆时，进丝速 度为40mm/s，确保涂液涂覆时间足够，涂覆层厚度足够；
c、将涂覆有纳米SiC材料涂覆层的PLA丝从U型管导入真空干燥器进行烘干，温度为160℃； 真空干燥器长度尺寸可调，确保烘干时间足够，获得表面纳米SiC材料覆层的PLA丝材；
d、将表面纳米SiC材料覆层的PLA丝材从真空干燥器导入熔融沉积成形3D打印机，打印喷 头的温度为220℃，获得纳米SiC/PLA复合材料实物模型；
e、将纳米SiC/PLA复合材料实物模型放入微波炉中进行后处理，纳米SiC材料吸收微波，对 实物模型中熔丝之间的结合界面产生原位再熔焊接，从而增加实物模型的强度；微波频率为 2.45GHZ，输出功率150W，时间60s。
所述的箱体1、U型管3、U型管固定支架12、丝辊7、超声波发生器2、真空干燥器9， U型管3中装入纳米SiC材料涂液4，U型管3入口处、真空干燥器9与熔融沉积成形3D打 印机喷头11之间均设置有导引管5，用以束缚和引导PLA丝材8，导引管利用卡扣6固定； U型管3出口处安放收口器10，其直径尺寸与表面纳米SiC材料覆层的ABS丝材直径一致， 并将多余的涂液刮除，回流至U型管3中；PLA裸丝从丝辊7依次进入U型管3及涂液4、 真空干燥器后，并经导引管5进入熔融沉积成形3D打印机。
本发明的新型熔融沉积成形3D打印的方法：首先，将PLA溶解于三氯甲烷溶液中，获 得固体含量为4mg/ml的溶液；将纳米SiC材料放入上述溶液，获得纳米SiC材料浓度为9％ 的均匀涂液；将涂液装入U型管中，U型管的直径为Ф30mm；其次，牵引PLA裸丝穿过装有涂液的U型管，在PLA裸丝表面获得均匀涂层，涂覆层厚度为15μm，U型管出口处收口 器的尺寸与之匹配，确保涂层厚度且将多余的涂液刮除，回流至U型管中，PLA裸丝直径为1.75mm，与常规FDM 3D打印丝材一致；然后，将上述涂覆有纳米SiC材料涂覆层的PLA 丝材从U型管导入真空干燥器进行烘干，温度为160℃，获得表面纳米SiC材料覆层的PLA 丝材；然后，将表面纳米SiC材料覆层的PLA丝材通过导引管进入熔融沉积成形3D打印机 的喷头中，3D打印机的喷头温度为220℃，获得纳米SiC/PLA复合材料实物模型；上述涂覆、 烘干、3D打印时，均是通过熔融沉积成形3D打印机牵引进丝，进丝速度为40mm/s，涂液 液面高度可调，确保涂液涂覆时间足够，涂覆层厚度足够；烘干器总长度尺寸可调，确保烘 干时间足够；最后，将纳米SiC/PLA复合材料实物模型放入微波炉内进行加热后处理，微波 参数：频率2.456GHZ，输出功率150W，时间60s。由于纳米SiC材料均匀的覆盖在3D打印 熔丝的界面处并吸收微波，对PLA模型的熔丝之间的界面进行原位再熔焊接，增强了熔丝之 间界面的结合强度，提高了纳米SiC/PLA复合材料实物模型的力学性能。
图2中，新型熔融沉积成形3D打印的装置由1、箱体，2、超声波发生器，3、U型管，4、纳米矿物材料纳米SiC涂液，5、导引管，6、导引管卡扣，7、丝辊，8、丝材，9、真空 干燥器，10、收口器，11、3D打印机喷头，12、U型管固定支架，13、3D打印模型，14、 微波炉。其中箱体容纳、支撑和固定其他零件。超声波发生器2、U型管3、引导管5、导引 管卡扣6、和纳米矿物材料纳米SiC凃液4和收口器10构成了纳米矿物材料纳米SiC在聚合 物PLA裸丝表面的涂覆装置，在本例中实现纳米矿物材料纳米SiC在聚合物PLA裸丝表面 的涂覆，超声波发生器2确保纳米矿物材料纳米SiC不会沉淀并均匀分布。收口器10的尺寸 可调并与要求的涂层厚度尺寸匹配，同时确保纳米矿物材料纳米SiC涂层均匀并将多余的涂 液刮除，回流至U型管中。烘干器9对涂覆层进行烘干处理，使纳米矿物材料纳米SiC牢固 地附着在聚合物PLA裸丝表面。微波炉13将打印的纳米SiC/PLA复合材料实物模型进行加 热后处理，均匀覆盖在3D打印熔丝界面处的纳米矿物材料纳米SiC吸收微波，并对熔丝界 面进行原位再熔焊接，从而实现熔丝界面的增强，以及纳米SiC/PLA复合材料实物模型力学 性能的提高。

Claims (2)

1.一种新型熔融沉积成形3D打印方法，其特征是：
a、将聚合物溶解于三氯甲烷溶液中，获得固体含量为4mg/ml的溶液；将纳米矿物材料放入上述溶液，且经过超声波震动，获得纳米矿物材料浓度为8%—9%的均匀涂液；
将涂液装入U型管中，U型管的直径为Ф30mm—Ф40mm；
b、直径为1.75mm的聚合物裸丝穿过装有涂液的U型管，获得厚度为10μm—15μm的纳米矿物材料涂覆层，U型管出口处收口器的尺寸与之匹配，确保涂层厚度足够且均匀；涂覆时，进丝速度为30mm/s—40mm/s，确保涂液涂覆时间足够，涂覆层厚度足够;
c、将涂覆有纳米矿物材料涂覆层的聚合物丝从U型管导入真空干燥箱进行烘干，温度为150℃—160℃；真空干燥箱长度尺寸可调，确保烘干时间足够，获得表面纳米矿物材料覆层的聚合物丝材;
d、将表面纳米矿物材料覆层的聚合物丝材从真空干燥箱导入熔融沉积成形3D打印机，打印喷头的温度为200℃—240℃，获得纳米矿物材料/聚合物复合材料实物模型；
e、将纳米矿物/聚合物复合材料实物模型放入微波炉中进行后处理，纳米矿物材料吸收微波，对实物模型中熔丝之间的结合界面产生原位再熔焊接，从而增加实物模型的强度；微波频率为2.45GHZ，输出功率140W—160W，时间50s—60s。
2.一种新型熔融沉积成形3D打印装置，其特征是：所述的箱体、U型管、U型管固定支架、丝辊、超声波发生器、真空干燥器，U型管中装入纳米矿物材料涂液，U型管入口处、真空干燥器与熔融沉积成形3D打印机喷头之间均设置有导引管，用以束缚和引导丝材，导引管利用卡扣固定；U型管出口处安放收口器，其直径尺寸与表面纳米矿物材料覆层的聚合物丝材直径一致，并将多余的涂液刮除，回流至U型管中；聚合物裸丝从丝辊依次进入U型管及涂液、真空干燥器后，并经导引管进入熔融沉积成形3D打印机。
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