CN109774118A - 一种增强fdm 3d打印制件的力学性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种增强FDM 3D打印制件的力学性能的方法，且提出了一种基于熔融沉积成型3D打印的混合制造技术。对FDM 3D打印制件的力学性能不足的问题，在打印过程中喷洒含有海藻酸钠粉末的乙醇溶液，在打印完成后，将制件浸入含有Ca2+、Zn2+或Fe3+的水溶液中静置若干时间，利用多价离子与海藻酸钠螯合交联在制件的内部形成凝胶网络状结构，从而提高制件整体的力学性能。

Description

一种增强FDM 3D打印制件的力学性能的方法
技术领域
本发明涉及一种增强FDM 3D打印制件的力学性能的方法，属于增材制造领域。
背景技术
传统的制造技术，包括铸造、锻造、机械加工、注塑成型，只能制造统一造型和结构的物品。3D打印，即增材制造，不同于传统的制造技术，没有具体的模板或者造型作为参考，所以可以按照具体的需要制造具有不同复杂几何形状的产品。3D打印是利用层与层之间材料的堆积来形成各种在空间延伸的几何形状的技术，得益于空间分辨率的提高和多种原材料的使用，3D打印越来越广泛地应用于消费产品、航空航天、生化器件等领域。
熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)是目前所有3D打印技术中最普及的一种技术，其工作原理为丝状热塑性材料由送丝机构送进喷头，在喷头中加热到熔融态，经喷嘴挤出。熔融态的丝状材料被挤压出来，按照三维软件的分层数据控制的路径挤压并在指定的位置凝固成型，逐层沉积凝固，最后形成整个三维产品。FDM的操作环境干净、安全，工艺简单、易于操作，且不产生垃圾，因此大大拓宽了操作场合。其所用原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。但是现阶段FDM成型方式存在本质上的缺陷。当物料从高温喷头挤出后仅依靠自身重力沉积在已冷却的下层物料上，同时迅速被冷却产生一定的收缩，造成层与层之间的空隙较大，层间结合强度小，最终使得制件整体力学性能差，因此目前FDM应用范围被大大限制，主要集中在工艺品和手办等行业。目前研究人员主要从打印参数和材料设计两方面对这个问题进行探索和研究，前者通过调整打印头的行走路径、沉积线条的宽度、每层高度和填充度等打印参数来改善，而后者通过向基体中添加短纤维、晶须和刚性粉末等实现。
本发明针对FDM 3D打印制件的力学性能不足的问题，提出了一种增强FDM3D打印制件的力学性能的方法。在打印过程中喷洒含有海藻酸钠粉末的乙醇溶液，利用多价离子与海藻酸钠螯合交联在打印完成制件的内部形成凝胶网络状结构，从而提高制件整体的力学性能。
发明内容
针对上述背景，本发明的目的是提供一种增强FDM 3D打印制件的力学性能的方法。本发明的另一个目的是提供一种高性能3D打印制件的制备方法。本发明的再一个目的是提供了一种基于熔融沉积成型3D打印的混合制造技术。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
采用热塑性高分子材料进行FDM 3D打印，在打印过程中喷洒含有海藻酸钠粉末的乙醇溶液，乙醇受热挥发使得海藻酸钠沉积在打印线条上或打印线条间的空隙中。打印完成后，将制件浸入含有Ca2+、Zn2+或Fe3+的水溶液中静置4-6h，利用多价离子与海藻酸钠螯合交联形成凝胶网络状结构，后冷冻干燥。
所述的热塑性高分子材料不溶于乙醇和和水，且吸水率较低，比如聚乙烯、聚丙烯、乙烯-辛烯共聚物、醚基聚氨酯等一种或几种组合。
所述的含有海藻酸钠粉末的乙醇溶液中，海藻酸钠的分布密度为5-8g/L，溶液动力黏度控制在200-300cP，通过纤维素类增稠剂调节。海藻酸钠粉末粒径为30-50um。
所述的含有Ca2+、Zn2+或Fe3+的水溶液中，多价离子和海藻酸钠的摩尔比控制在1:4-1:2.5，同时溶液中含有一定量的葡萄糖酸-δ-内脂作为凝固剂，其与海藻酸钠的摩尔比控制在1:2-1:1.5。
所述的打印过程中的喷洒过程为：在3D打印过程中每间隔5-10s喷洒含有海藻酸钠的乙醇溶液，采用喷嘴进行喷洒，喷射速度控制在15-20滴/s，喷射方向与打印平台呈30-45°。腔体温度控制在40-50℃，利于乙醇及时挥发。其中，所述的喷嘴具有25个喷口，每个喷口直径为100um，喷嘴位置高于打印制件最上层2-3mm，并且跟随3D打印机的喷头运动。
另外，在凝胶化过程中进行加热，给予含有Ca2+、Zn2+或Fe3+的水溶液一定的温度，热塑性高分子材料发生从玻璃态向高弹态甚至粘流态的转变，产生的凝胶会对周边的基体有推动作用，从而提高相邻沉积线条的界面结合强度，减小制件的孔隙率，提升整体的力学性能。
本发明的有益效果为：将打印制件看作一个整体，在打印过程中喷洒含有海藻酸钠粉末的乙醇溶液，在打印完成后将制件浸入含有Ca2+、Zn2+或Fe3+的水溶液中。利用多价离子与海藻酸钠螯合交联在制件内部形成凝胶网络状结构，从而大幅度提升制件的力学性能。本发明提出了一种新型的基于熔融沉积成型3D打印的混合制造技术，希望能在相关领域有一些启示作用。
附图说明
图1为实施例1中制件的横截面扫描电镜照片。
图2为实施例3中制件的横截面扫描电镜照片。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点更明显易懂，下文举若干实施例作详细说明。
实施例1
采用乙烯-辛烯共聚物改性聚丙烯作为基体，其熔融指数为30g/10min。通过单螺杆挤出机制备FDM 3D打印线材，线材直径约1.75mm。将线材放入FDM 3D打印机进行打印，制备拉伸样条、弯曲样条和缺口冲击样条。打印参数：喷嘴温度160℃，喷嘴直径0.5mm，每层高度0.2mm，填充度100％。
实施例2
采用乙烯-辛烯共聚物改性聚丙烯作为基体，其熔融指数为30g/10min。通过单螺杆挤出机制备FDM 3D打印线材，线材直径约1.75mm。将线材放入FDM 3D打印机进行打印，制备拉伸样条、弯曲样条和缺口冲击样条。打印参数：喷嘴温度160℃，喷嘴直径0.5mm，每层高度0.2mm，填充度80％。
实施例3
采用乙烯-辛烯共聚物改性聚丙烯作为基体，其熔融指数为30g/10min。通过单螺杆挤出机制备FDM 3D打印线材，线材直径约1.75mm。将线材放入FDM 3D打印机进行打印，制备拉伸样条、弯曲样条和缺口冲击样条。打印参数：喷嘴温度160℃，喷嘴直径0.5mm，每层高度0.2mm，填充度80％。打印腔体温度控制在50℃。
在打印过程中，每间隔5s喷洒含有海藻酸钠的乙醇溶液，溶液中海藻酸钠的分布密度为6g/L，海藻酸钠粉末粒径为30um，动力黏度控制在250cP。采用喷嘴进行喷洒，喷射速度控制在20滴/s，喷射方向与打印平台呈30°。喷嘴具有25个喷口，每个喷口直径为100um，喷嘴位置高于打印制件最上层3mm，并且跟随3D打印机的喷头运动。
打印完成后，将制件浸入含有CaCl2的水溶液中，Ca2+和海藻酸钠的摩尔比控制在1:4，同时加入一定量的葡萄糖酸-δ-内脂作为凝固剂，其与海藻酸钠的摩尔比控制在1:2。静置5h后冷冻干燥。
实施例4
采用乙烯-辛烯共聚物改性聚丙烯作为基体，其熔融指数为30g/10min。通过单螺杆挤出机制备FDM 3D打印线材，线材直径约1.75mm。将线材放入FDM 3D打印机进行打印，制备拉伸样条、弯曲样条和缺口冲击样条。打印参数：喷嘴温度160℃，喷嘴直径0.5mm，每层高度0.2mm，填充度80％。打印腔体温度控制在50℃。
在打印过程中，每间隔5s喷洒含有海藻酸钠的乙醇溶液，溶液中海藻酸钠的分布密度为8g/L，海藻酸钠粉末粒径为30um，动力黏度控制在300cP。采用喷嘴进行喷洒，喷射速度控制在20滴/s，喷射方向与打印平台呈30°。喷嘴具有25个喷口，每个喷口直径为100um，喷嘴位置高于打印制件最上层3mm，并且跟随3D打印机的喷头运动。
打印完成后，将制件浸入含有CaCl2的水溶液中，Ca2+和海藻酸钠的摩尔比控制在1:2.5，同时加入一定量的葡萄糖酸-δ-内脂作为凝固剂，其与海藻酸钠的摩尔比控制在1:2。静置5h后冷冻干燥。
实施例5
采用低分子量聚乙烯作为基体，熔点约130℃。通过单螺杆挤出机制备FDM 3D打印线材，线材直径约1.75mm。将线材放入FDM 3D打印机进行打印，制备拉伸样条、弯曲样条和缺口冲击样条。打印参数：喷嘴温度140℃，喷嘴直径0.5mm，每层高度0.2mm，填充度100％。
实施例6
采用低分子量聚乙烯作为基体，熔点约130℃。通过单螺杆挤出机制备FDM 3D打印线材，线材直径约1.75mm。将线材放入FDM 3D打印机进行打印，制备拉伸样条、弯曲样条和缺口冲击样条。打印参数：喷嘴温度140℃，喷嘴直径0.5mm，每层高度0.2mm，填充度80％。
实施例7
采用低分子量聚乙烯作为基体，熔点约130℃。通过单螺杆挤出机制备FDM 3D打印线材，线材直径约1.75mm。将线材放入FDM 3D打印机进行打印，制备拉伸样条、弯曲样条和缺口冲击样条。打印参数：喷嘴温度140℃，喷嘴直径0.5mm，每层高度0.2mm，填充度80％。打印腔体温度控制在50℃。
在打印过程中，每间隔5s喷洒含有海藻酸钠的乙醇溶液，溶液中海藻酸钠的分布密度为6g/L，海藻酸钠粉末粒径为30um，动力黏度控制在250cP。采用喷嘴进行喷洒，喷射速度控制在20滴/s，喷射方向与打印平台呈30°。喷嘴具有25个喷口，每个喷口直径为100um，喷嘴位置高于打印制件最上层3mm，并且跟随3D打印机的喷头运动。
打印完成后，将制件浸入含有CaCl2的水溶液中，Ca2+和海藻酸钠的摩尔比控制在1:4，同时加入一定量的葡萄糖酸-δ-内脂作为凝固剂，其与海藻酸钠的摩尔比控制在1:2。静置5h后冷冻干燥。
实施例8
采用低分子量聚乙烯作为基体，熔点约130℃。通过单螺杆挤出机制备FDM 3D打印线材，线材直径约1.75mm。将线材放入FDM 3D打印机进行打印，制备拉伸样条、弯曲样条和缺口冲击样条。打印参数：喷嘴温度140℃，喷嘴直径0.5mm，每层高度0.2mm，填充度80％。打印腔体温度控制在50℃。
在打印过程中，每间隔5s喷洒含有海藻酸钠的乙醇溶液，溶液中海藻酸钠的分布密度为8g/L，海藻酸钠粉末粒径为30um，动力黏度控制在300cP。采用喷嘴进行喷洒，喷射速度控制在20滴/s，喷射方向与打印平台呈30°。喷嘴具有25个喷口，每个喷口直径为100um，喷嘴位置高于打印制件最上层3mm，并且跟随3D打印机的喷头运动。
打印完成后，将制件浸入含有CaCl2的水溶液中，Ca2+和海藻酸钠的摩尔比控制在1:2.5，同时加入一定量的葡萄糖酸-δ-内脂作为凝固剂，其与海藻酸钠的摩尔比控制在1:2。静置5h后冷冻干燥。
表1实施例1-8试样的力学性能数据

Claims (6)

1.一种增强FDM3D制件的力学性能的方法，其特征在于：采用热塑性高分子材料进行FDM3D打印，在打印过程中喷洒含有海藻酸钠粉末的乙醇溶液，乙醇受热挥发使得海藻酸钠沉积在打印线条上或打印线条间的空隙中。打印完成后，将制件浸入含有Ca2+、Zn2+或Fe3+的水溶液中静置4-6h，利用多价离子与海藻酸钠螯合交联形成凝胶网络状结构，后冷冻干燥。
2.如权利要求1所述的热塑性高分子材料，其特征在于：不溶于乙醇和和水，且吸水率较低，比如聚乙烯、聚丙烯、乙烯-辛烯共聚物、醚基聚氨酯等一种或几种组合。
3.如权利要求1所述的含有海藻酸钠粉末的乙醇溶液，其特征在于：海藻酸钠的分布密度为5-8g/L，溶液动力黏度控制在200-300cP，通过纤维素类增稠剂调节。海藻酸钠粉末粒径为30-50um。
4.如权利要求1所述的打印过程中的喷洒过程，其特征在于：在3D打印过程中每间隔5-10s喷洒含有海藻酸钠的乙醇溶液，采用喷嘴进行喷洒，喷射速度控制在15-20滴/s，喷射方向与打印平台呈30-45°。腔体温度控制在40-50℃，利于乙醇及时挥发。
5.如权利要求4所述的喷嘴，其特征在于：采用的喷嘴具有25个喷口，每个喷口直径为100um，喷嘴位置高于打印制件最上层2-3mm，并且跟随3D打印机的喷头运动。
6.如权利要求1所述的含有Ca2+、Zn2+或Fe3+的水溶液，其特征在于：多价离子和海藻酸钠的摩尔比控制在1:4-1:2.5，同时溶液中含有一定量的葡萄糖酸-δ-内脂作为凝固剂，其与海藻酸钠的摩尔比控制在1:2-1:1.5。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110239083A (zh) * 2019-05-24 2019-09-17 中国科学院福建物质结构研究所 一种基于fdm的3d打印方法和增韧方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010112564A1 (de) * 2009-04-01 2010-10-07 Centro De Estudios E Investigaciones Técnicas De Gipuzkoa Template-gestütztes musterbildungsverfahren von nanofasern im electrospinn-verfahren und deren anwendungen
CN104207859A (zh) * 2014-09-16 2014-12-17 清华大学 利用旋转堆积法制备组织器官的方法及专用设备
CN104628936A (zh) * 2015-02-25 2015-05-20 湖北工业大学 一种利用3d打印制备高强度双网络水凝胶支架的方法
CN105012049A (zh) * 2015-06-03 2015-11-04 西安交通大学 打印喷头系统和可调软质空心管支架的混合喷雾打印工艺
CN105328905A (zh) * 2015-11-09 2016-02-17 西安交通大学 一种同轴喷头及其增强型空心凝胶管的3d打印系统和工艺
CN107376017A (zh) * 2017-08-24 2017-11-24 浙江大学 3d打印的海藻酸钠‑i型胶原‑陶瓷复合支架、制备方法及应用
CN108159503A (zh) * 2018-03-24 2018-06-15 许宏军 一种骨修复支架用的3d打印材料的制备方法
CN108340571A (zh) * 2018-02-08 2018-07-31 华中科技大学鄂州工业技术研究院 一种多喷头协调生物3d打印成型方法
CN108498843A (zh) * 2018-06-13 2018-09-07 暨南大学 一种三维打印抗菌水凝胶敷料及其制备方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010112564A1 (de) * 2009-04-01 2010-10-07 Centro De Estudios E Investigaciones Técnicas De Gipuzkoa Template-gestütztes musterbildungsverfahren von nanofasern im electrospinn-verfahren und deren anwendungen
CN104207859A (zh) * 2014-09-16 2014-12-17 清华大学 利用旋转堆积法制备组织器官的方法及专用设备
CN104628936A (zh) * 2015-02-25 2015-05-20 湖北工业大学 一种利用3d打印制备高强度双网络水凝胶支架的方法
CN105012049A (zh) * 2015-06-03 2015-11-04 西安交通大学 打印喷头系统和可调软质空心管支架的混合喷雾打印工艺
CN105328905A (zh) * 2015-11-09 2016-02-17 西安交通大学 一种同轴喷头及其增强型空心凝胶管的3d打印系统和工艺
CN107376017A (zh) * 2017-08-24 2017-11-24 浙江大学 3d打印的海藻酸钠‑i型胶原‑陶瓷复合支架、制备方法及应用
CN108340571A (zh) * 2018-02-08 2018-07-31 华中科技大学鄂州工业技术研究院 一种多喷头协调生物3d打印成型方法
CN108159503A (zh) * 2018-03-24 2018-06-15 许宏军 一种骨修复支架用的3d打印材料的制备方法
CN108498843A (zh) * 2018-06-13 2018-09-07 暨南大学 一种三维打印抗菌水凝胶敷料及其制备方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110239083A (zh) * 2019-05-24 2019-09-17 中国科学院福建物质结构研究所 一种基于fdm的3d打印方法和增韧方法

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