CN109203473A - 一种3d打印皮芯结构双组份复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，分别将皮层聚合物和芯层聚合物经不同流道输送至3D打印机同一喷嘴的外层和中层后挤出制得皮芯结构双组份复合材料；皮层聚合物和芯层聚合物分别为形成皮芯结构双组份复合材料皮层和芯层的材料，其中3D打印机主要由料仓I、料仓II、螺杆挤出机I、螺杆挤出机II、计量泵I、计量泵II、分配板、喷嘴和多根熔体管道组成，皮层聚合物和芯层聚合物分别由料仓I和料仓II进入螺杆挤出机I和螺杆挤出机II中进行熔融，后由熔体管道输送至计量泵I和计量泵II中，再由计量泵计量到同一分配板中后由分配板分配至喷嘴中。本发明方法打印的产品可综合不同种材料的特性，满足不同领域的需求。

Description

一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法
技术领域
本发明属于双组份3D打印复合材料制备领域，涉及一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法。
背景技术
3D打印又称为增材制造，是一种通过增加材料形成三维实体的快速制造技术。与传统的减材技术相比，3D打印可以制造任意形状的几何实体。同时，3D打印方法还具有材料损耗小、制造周期缩短和制备成本低等优点，尤其是在制造形状复杂的产品时，3D打印具有巨大的优越性。
常见的3D打印材料主要为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乳酸、聚酰胺和聚碳酸酯等。但是通过这些单一组份材料打印的产品往往性能比较单一，不能满足多样化的使用需求，使其应用领域受到了很大的限制。
目前通过3D打印制备双组份复合材料样品通常为用共混材料打印或者利用双喷头或多喷头打印不同组份的材料。采用共混材料打印时共混材料的共混效果往往较差，材料很难均匀分散，使得打印产品在不同部位的性能差异较大。而通过双喷头或多喷头打印不同组份的材料，又会增加打印时间，且不同组份的材料不能紧密地结合在一起，打印出来的产品性能也较差。
因此，研究一种能将不同组份的材料分布均匀且使其紧密结合的复合材料的制备方法具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中3D打印制备双组份复合材料时存在的不同组份的材料分布不均匀且相互间容易分离的问题，提供一种能将不同组份的材料分布均匀且使其紧密结合的3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法。本发明通过分别将皮层聚合物和芯层聚合物经不同流道输送至3D打印机的同一喷嘴的外层和中层后挤出制得皮芯结构双组份复合材料，使产品中两种组份的材料均匀分布，且互相紧密地黏结，使产品中两组份不易发生分离，极大地提高了复合材料的性能，而且缩短了制备复合材料的工艺流程，同时还综合不同种材料的性能，扩宽了3D打印材料的应用领域。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，分别将皮层聚合物和芯层聚合物经不同流道输送至3D打印机的同一喷嘴的外层和中层后挤出制得皮芯结构双组份复合材料；所述皮层聚合物和芯层聚合物分别为形成皮芯结构双组份复合材料皮层和芯层的材料。
优选的技术方案为：
如上所述的一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，所述3D打印机主要由料仓I、料仓II、螺杆挤出机I、螺杆挤出机II、计量泵I、计量泵II、分配板、喷嘴和多根熔体管道组成，料仓I和料仓II分别与螺杆挤出机I和螺杆挤出机II连接，螺杆挤出机I和螺杆挤出机II分别通过熔体管道与计量泵I和计量泵II连接，计量泵I和计量泵II与同一分配板连接，分配板与喷嘴连接。
如上所述的一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，皮层聚合物和芯层聚合物分别由料仓I和料仓II进入螺杆挤出机I和螺杆挤出机II中进行熔融，后由熔体管道输送至计量泵I和计量泵II中，再由计量泵计量到同一分配板中后由分配板分配至喷嘴中。
如上所述的一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，所述料仓I和料仓II由氮气进行保护。
如上所述的一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，所述皮层聚合物在进入料仓I前在温度为60-150℃、真空度为50-80％的真空干燥箱中干燥6-12个小时；所述芯层聚合物在进入料仓II前在温度为60-150℃、真空度为80-100％的真空干燥箱中干燥6-12个小时。
如上所述的一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，所述螺杆挤出机I内温度为100-420℃，压力为15.0-50MPa；所述螺杆挤出机II内温度为100-420℃，压力为15.0-50MPa。如上所述的一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，所述皮芯结构双组份复合材料中皮层的含量为5-95wt％。
如上所述的一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，所述皮层聚合物和芯层聚合物各自独立地选自于聚己内酯、聚乳酸、ABS、聚酰胺、聚碳酸酯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、弹性聚氨酯、聚醚酰亚胺和聚醚醚酮中的一种以上。本发明的皮层聚合物和芯层聚合物的种类包括但不限于此，其他可制备皮芯结构复合材料的3D打印材料也同样适用于本发明。
如上所述的一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，所述皮层聚合物和芯层聚合物的形态为粉体、颗粒或块状。
有益效果：
(1)本发明的一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，将皮层聚合物和芯层聚合物通过3D打印方法制得皮芯结构双组份复合材料，与普通的3D打印线材相比，打印的产品可综合不同种材料的特性，满足不同领域的需求；
(2)本发明的一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，对传统的3D打印线材进行改革创新，丰富高性能3D打印线材的种类，对3D打印大规模工业化应用具有重要意义；
(3)本发明的一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，皮层聚合物和芯层聚合物均匀分布且互相紧密地黏结，制备的产品中两组份不易发生分离，产品性能优异。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，3D打印机主要由料仓I、料仓II、螺杆挤出机I、螺杆挤出机II、计量泵I、计量泵II、分配板、喷嘴和多根熔体管道组成，料仓I和料仓II分别与螺杆挤出机I和螺杆挤出机II连接，螺杆挤出机I和螺杆挤出机II分别通过熔体管道与计量泵I和计量泵II连接，计量泵I和计量泵II与同一分配板连接，分配板与喷嘴连接，具体步骤如下：
(1)将聚己内酯粉体和尼龙颗粒分别由料仓I和料仓II进入螺杆挤出机I和螺杆挤出机II中进行熔融；其中，聚己内酯在进入料仓I前在温度为60℃、真空度为60％的真空干燥箱中干燥10个小时；尼龙在进入料仓II前在温度为60℃、真空度为100％的真空干燥箱中干燥8个小时，螺杆挤出机I内温度为100℃，压力为15.0MPa，螺杆挤出机II内温度为250℃，压力为30MPa，料仓I和料仓II由氮气进行保护；
(2)由熔体管道输送至计量泵I和计量泵II中；
(3)由计量泵计量到同一分配板中后由分配板分配至同一喷嘴的外层和中层后挤出制得皮芯结构双组份复合材料，皮芯结构双组份复合材料中皮层的含量为55wt％。
实施例2
一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，3D打印机结构与实施例1一致，具体步骤如下：
(1)将块状聚乳酸和ABS颗粒分别由料仓I和料仓II进入螺杆挤出机I和螺杆挤出机II中进行熔融；其中，聚乳酸在进入料仓I前在温度为110℃、真空度为70％的真空干燥箱中干燥8个小时；ABS在进入料仓II前在温度为130℃、真空度为95％的真空干燥箱中干燥7个小时，螺杆挤出机I内温度为180℃，压力为25.0MPa，螺杆挤出机II内温度为100℃，压力为45MPa，料仓I和料仓II由氮气进行保护；
(2)由熔体管道输送至计量泵I和计量泵II中；
(3)由计量泵计量到同一分配板中后由分配板分配至同一喷嘴的外层和中层后挤出制得皮芯结构双组份复合材料，皮芯结构双组份复合材料中皮层的含量为80wt％。
实施例3
一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，3D打印机结构与实施例1一致，具体步骤如下：
(1)将尼龙6粉体和聚碳酸酯颗粒分别由料仓I和料仓II进入螺杆挤出机I和螺杆挤出机II中进行熔融；其中，尼龙6在进入料仓I前在温度为150℃、真空度为50％的真空干燥箱中干燥11个小时；聚碳酸酯在进入料仓II前在温度为110℃、真空度为90％的真空干燥箱中干燥12个小时，螺杆挤出机I内温度为250℃，压力为40MPa，螺杆挤出机II内温度为220℃，压力为15.0MPa，料仓I和料仓II由氮气进行保护；
(2)由熔体管道输送至计量泵I和计量泵II中；
(3)由计量泵计量到同一分配板中后由分配板分配至同一喷嘴的外层和中层后挤出制得皮芯结构双组份复合材料，皮芯结构双组份复合材料中皮层的含量为95wt％。
实施例4
一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，3D打印机结构与实施例1一致，具体步骤如下：
(1)将聚丙烯颗粒和块状聚偏氟乙烯分别由料仓I和料仓II进入螺杆挤出机I和螺杆挤出机II中进行熔融；其中，聚丙烯在进入料仓I前在温度为135℃、真空度为60％的真空干燥箱中干燥12个小时；聚偏氟乙烯在进入料仓II前在温度为150℃、真空度为100％的真空干燥箱中干燥6个小时，螺杆挤出机I内温度160℃，压力为50MPa，螺杆挤出机II内温度为260℃，压力为20MPa，料仓I和料仓II由氮气进行保护；
(2)由熔体管道输送至计量泵I和计量泵II中；
(3)由计量泵计量到同一分配板中后由分配板分配至同一喷嘴的外层和中层后挤出制得皮芯结构双组份复合材料，皮芯结构双组份复合材料中皮层的含量为15wt％。
实施例5
一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，3D打印机结构与实施例1一致，具体步骤如下：
(1)将弹性聚氨酯粉体和聚醚酰亚胺粉体分别由料仓I和料仓II进入螺杆挤出机I和螺杆挤出机II中进行熔融；其中，弹性聚氨酯在进入料仓I前在温度为140℃、真空度为80％的真空干燥箱中干燥6个小时；聚醚酰亚胺在进入料仓II前在温度为150℃、真空度为80％的真空干燥箱中干燥12个小时，螺杆挤出机I内温度为200℃，压力为20MPa，螺杆挤出机II内温度为400℃，压力为45MPa，料仓I和料仓II由氮气进行保护；
(2)由熔体管道输送至计量泵I和计量泵II中；
(3)由计量泵计量到同一分配板中后由分配板分配至同一喷嘴的外层和中层后挤出制得皮芯结构双组份复合材料，皮芯结构双组份复合材料中皮层的含量为5wt％。
实施例6
一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，3D打印机结构与实施例1一致，具体步骤如下：
(1)将聚己内酯和尼龙6的混合物粉体(质量比为1:1)和聚醚醚酮颗粒分别由料仓I和料仓II进入螺杆挤出机I和螺杆挤出机II中进行熔融；其中，聚己内酯和尼龙6的混合物在进入料仓I前在温度为60℃、真空度为65％的真空干燥箱中干燥12个小时；聚醚醚酮在进入料仓II前在温度为100℃、真空度为85％的真空干燥箱中干燥7个小时，螺杆挤出机I内温度为250℃，压力为30MPa，螺杆挤出机II内温度为400℃，压力为50MPa，料仓I和料仓II由氮气进行保护；
(2)由熔体管道输送至计量泵I和计量泵II中；
(3)由计量泵计量到同一分配板中后由分配板分配至同一喷嘴的外层和中层后挤出制得皮芯结构双组份复合材料，皮芯结构双组份复合材料中皮层的含量为25wt％。
实施例7
一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，3D打印机结构与实施例1一致，具体步骤如下：
(1)将聚己内酯、尼龙6和弹性聚氨酯的混合物粉体(质量比为1:1:2)和聚醚酰亚胺粉体分别由料仓I和料仓II进入螺杆挤出机I和螺杆挤出机II中进行熔融；其中，聚己内酯、尼龙6和弹性聚氨酯的混合物在进入料仓I前在温度为120℃、真空度为50％的真空干燥箱中干燥7个小时；聚醚酰亚胺在进入料仓II前在温度为150℃、真空度为90％的真空干燥箱中干燥9个小时，螺杆挤出机I内温度为250℃，压力为45.5MPa，螺杆挤出机II内温度为400℃，压力为30MPa，料仓I和料仓II由氮气进行保护；
(2)由熔体管道输送至计量泵I和计量泵II中；
(3)由计量泵计量到同一分配板中后由分配板分配至同一喷嘴的外层和中层后挤出制得皮芯结构双组份复合材料，皮芯结构双组份复合材料中皮层的含量为60wt％。
实施例8
一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，3D打印机结构与实施例1一致，具体步骤如下：
(1)将块状的聚乳酸与聚偏氟乙烯的混合物(质量比为2:1)、颗粒状的聚碳酸酯与聚丙烯的混合物(质量比为3:1)分别由料仓I和料仓II进入螺杆挤出机I和螺杆挤出机II中进行熔融；其中，聚乳酸与聚偏氟乙烯的混合物在进入料仓I前在温度为115℃、真空度为65％的真空干燥箱中干燥7个小时；聚碳酸酯与聚丙烯的混合物在进入料仓II前在温度为150℃、真空度为90％的真空干燥箱中干燥12个小时，螺杆挤出机I内温度为420℃，压力为45MPa，螺杆挤出机II内温度为250℃，压力为25.5MPa，料仓I和料仓II由氮气进行保护；
(2)由熔体管道输送至计量泵I和计量泵II中；
(3)由计量泵计量到同一分配板中后由分配板分配至同一喷嘴的外层和中层后挤出制得皮芯结构双组份复合材料，皮芯结构双组份复合材料中皮层的含量为85wt％。
实施例9
一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，3D打印机结构与实施例1一致，具体步骤如下：
(1)将颗粒状的ABS、颗粒状的聚丙烯与聚醚醚酮的混合物(质量比为2:3)分别由料仓I和料仓II进入螺杆挤出机I和螺杆挤出机II中进行熔融；其中，ABS在进入料仓I前在温度为150℃、真空度为55％的真空干燥箱中干燥6个小时；聚丙烯与聚醚醚酮的混合物在进入料仓II前在温度为140℃、真空度为80％的真空干燥箱中干燥9个小时，螺杆挤出机I内温度为230℃，压力为50MPa，螺杆挤出机II内温度为420℃，压力为55.5MPa，料仓I和料仓II由氮气进行保护；
(2)由熔体管道输送至计量泵I和计量泵II中；
(3)由计量泵计量到同一分配板中后由分配板分配至同一喷嘴的外层和中层后挤出制得皮芯结构双组份复合材料，皮芯结构双组份复合材料中皮层的含量为95wt％。

Claims (9)

1.一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，其特征是：分别将皮层聚合物和芯层聚合物经不同流道输送至3D打印机的同一喷嘴的外层和中层后挤出制得皮芯结构双组份复合材料；所述皮层聚合物和芯层聚合物分别为形成皮芯结构双组份复合材料皮层和芯层的材料。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，其特征在于，所述3D打印机主要由料仓I、料仓II、螺杆挤出机I、螺杆挤出机II、计量泵I、计量泵II、分配板、喷嘴和多根熔体管道组成，料仓I和料仓II分别与螺杆挤出机I和螺杆挤出机II连接，螺杆挤出机I和螺杆挤出机II分别通过熔体管道与计量泵I和计量泵II连接，计量泵I和计量泵II与同一分配板连接，分配板与喷嘴连接。
3.根据权利要求2所述的一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，其特征在于，皮层聚合物和芯层聚合物分别由料仓I和料仓II进入螺杆挤出机I和螺杆挤出机II中进行熔融，后由熔体管道输送至计量泵I和计量泵II中，再由计量泵计量到同一分配板中后由分配板分配至喷嘴中。
4.根据权利要求3所述的一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，其特征在于，所述料仓I和料仓II由氮气进行保护。
5.根据权利要求4所述的一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，其特征在于，所述皮层聚合物在进入料仓I前在温度为60-150℃、真空度为50-80％的真空干燥箱中干燥6-12个小时；所述芯层聚合物在进入料仓II前在温度为60-150℃、真空度为80-100％的真空干燥箱中干燥6-12个小时。
6.根据权利要求5所述的一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，其特征在于，所述螺杆挤出机I内温度为100-420℃，压力为15.0-50MPa；所述螺杆挤出机II内温度为100-420℃，压力为15.0-50MPa。
7.根据权利要求1所述的一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，其特征在于，所述皮芯结构双组份复合材料中皮层的含量为5-95wt％。
8.根据权利要求7所述的一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，其特征在于，所述皮层聚合物和芯层聚合物各自独立地选自于聚己内酯、聚乳酸、ABS、聚酰胺、聚碳酸酯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、弹性聚氨酯、聚醚酰亚胺和聚醚醚酮中的一种以上。
9.根据权利要求8所述的一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，其特征在于，所述皮层聚合物和芯层聚合物的形态为粉体、颗粒或块状。
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