CN110076335B - 三维成型丝料及fdm三维成型方法 - Google Patents

三维成型丝料及fdm三维成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种三维成型丝料和FDM三维成型方法，三维成型丝料由以下组分的原料制成：无机粉末、粘结剂和助剂，无机粉末的含量为90wt％以上；其中粘结剂由POM和TPE组成，POM的熔点在180℃至190℃之间，TPE的邵氏硬度在0至10度之间；助剂由硅酮粉润滑剂和氧化锌热稳定剂组成。本发明的三维成型丝料柔韧性好，易于绕线，且打印不容易堵头，打印出的三维物体不易分层。

Description

三维成型丝料及FDM三维成型方法
技术领域
本发明涉及三维打印技术领域，具体是涉及一种三维成型丝料及FDM三维成型方法。
背景技术
三维(3D)快速成型(打印)，也被称为增材制造，基本原理是通过打印或铺设连续的材料层来产生三维物体。三维快速成型备或三维打印机通过转换物体的三维计算机模型并产生一系列截面切片来工作，然后打印每个切片，一个在另一个的顶部上，从而产生最终的三维物体。
三维快速成型的方法主要包括的类型为：立体平板印刷或光固化(Stereolithography,SLA)、分层实体制造(Laminated object manufacturing,LOM)、选择性激光烧结(Selective laser sintering,SLS)、熔融沉积成型(Fused depositionmodeling,FDM)。
目前，市面上FDM类型的三维打印机(成型机)最为常见，这种类型的三维打印机的成本较低，且打印的操作过程较为便利，初学者容易掌握。其主要原理是将线状丝材如PLA(聚乳酸)通过高温(通常为200℃至500℃范围内)喷嘴熔融，然后利用后续线材的连续挤压，将熔融状的材料通过喷嘴出口挤出，然后熔融状材料在打印平台上层层堆积而产生三维物体。例如，在申请号为CN201410827191.9、CN201510054483.8和CN201510313735.4的中国发明专利申请文件中就记载了FDM类型的三维打印机的结构特征及其工作原理。FDM三维打印机的打印材料通常为丝状线材，这种丝状线材一般是缠绕在丝料盒(丝料盘)装置上，例如在申请号为CN201410046863.2中国发明专利申请就公开了一种丝料盒，而在申请号为CN201410476655.6的中国发明专利申请中就公开了一种三维打印机的打印盒。这些类型的丝料盒(打印盒)可以用于装载、盘绕丝状材料如PLA打印材料。
另外，对于粉末激光烧结成型(SLM)类型的3D打印，其基本原理是在打印平台上铺设一层粉末材料后再用激光选择性烧结，然后用粉末材料再铺设下一层再激光烧结一次，循环上述步骤后可得到三维立体实物。但是激光烧结的方式需要耗费大量的能源才能使得粉末材料在高温熔化后成型，并且这种3D打印设备需要非常专业的维护，消耗的成本极大。例如在申请号为CN201420377082.7的中国实用新型专利申请中公开了一种金属粉末激光烧结三维打印机，其通过铺粉辊完成打印平台上的铺粉工作，之后再进行选择性激光烧结，但是这种打印机不仅铺粉工作的效率不高，而且激光烧结的过程需要耗费大量能源且也会降低工作效率。此外，在申请号为CN201310089876.3的中国发明专利提供一种打印金属与高分子粘结剂的混合材料成型的方法，而在申请号为CN201610270383.3的中国发明专利申请公开的打印方法中，其包括了初步成型步骤，用加热装置对所述三维打印材料进行加热处理，加热装置的加热温度为50℃至300℃，黏结剂在50℃至300℃下将金属粉末黏结，把三维打印材料挤出在打印平台上形成初步固化物体，烧结步骤把初步固化物体烧结固化为成型物体。
然而，上述金属三维物体的打印效率仍然不足，或者其实现难度较大。如果把金属材料制作为可弯曲的金属丝状材料，同时能够在FDM三维打印机通常设定的温度下形成三维物体，这样会极大地提升金属三维物体的成型效率。然而，现有的金属材料无法制作成为丝状材料，并且这种丝状材料根本无法弯曲，弯曲的时候非常容易折断，无法弯曲的后果就是不能够绕在丝料盘上，因此，其在FDM三维打印机上的应用就受到了明显的限制。在申请号为CN201610877070.4的中国发明专利申请中公开了一种三维成型丝料，通过在金属、陶瓷或玻璃材料的基料中加入柔韧性增强剂(邻苯二甲酸二辛脂和邻苯二甲酸二丁脂的混合物)、粘结剂、分散剂和稳定剂，从而制备出一种可以绕卷在丝料盘上的三维成型丝料。然而，使用这种三维成型丝料打印出来的三维物体存在层与层之间容易分层开裂的现象，严重的影响了打印出来的三维物体的使用。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种柔韧性好、易于绕线、打印过程中不易堵头、获得三维成型物体不易分层的三维成型丝料。
本发明的第二目的是提供一种上述三维成型丝料的FDM三维成型方法。
为了实现上述的第一目的，本发明提供一种三维成型丝料，由以下组分的原料制成：无机粉末、粘结剂和助剂，其中，无机粉末为金属粉末或陶瓷粉末，无机粉末的含量为90wt％以上，粘结剂由POM和TPE组成，POM的熔点在180℃至190℃之间，TPE的邵氏硬度在0至10度之间，助剂由硅酮粉润滑剂和氧化锌热稳定剂组成。
实验表明，当POM的熔点在180℃至190℃之间、TPE的邵氏硬度在0至10度之间时，获得的三维成型丝料柔韧性好，易于绕线，且打印不容易堵头，打印出的三维物体不易分层，同时，三维成型丝料中的无机粉末含量可以高达90wt％以上，打印出的三维物体不易变形。
进一步的方案是，金属粉末的含量为91wt％，粘结剂的含量为7wt％，助剂的含量为2wt％。
可见，该方案可以获得金属基三维成型丝料，可以打印金属产品。
进一步的方案是，金属粉末为铁粉或钛粉。
进一步的方案是，金属粉末的粒径小于或等于30μm。
进一步的方案是，铁粉采用粒径为10μm至30μm的气雾化铁粉。气雾化铁粉的粒径更加均匀，纯度更高，大大降低了金属粉末中杂质的含量，由此获得的三维成型丝料的性能更好。
进一步的方案是，钛粉采用粒径为10μm至30μm的气雾化钛粉。气雾化铁粉的粒径更加均匀，纯度更高，大大降低了金属粉末中杂质的含量，由此获得的三维成型丝料的性能更好。
进一步的方案是，陶瓷粉末的含量为90wt％，粘结剂的含量为7wt％，助剂的含量为3wt％。
更进一步的方案是，POM为均聚POM，粘结剂中POM和TPE的组分比为1:1。与共聚POM相比，均聚POM结晶度高，热膨胀率更低，搞蠕变性和耐磨性更好。
进一步的方案是，助剂中硅酮粉润滑剂和氧化锌热稳定剂的组分比为1:1。
为了实现上述的第二目的，本发明提供的FDM三维成型方法，包括以下步骤：在FDM三维打印机内，从打印头的输入端输入上述的三维成型丝料，从打印头的喷嘴端挤出熔融状的材料，熔融状的材料经过层层堆积形成初步成型物体，然后将初步成型物体进行脱脂处理，最后放置在真空、1360℃高温环境下烧结，得到成型物体。
具体实施方式
本发明的三维成型丝料由以下组分的原料制成：无机粉末、粘结剂和助剂。其中，无机粉末为金属粉末或陶瓷粉末，无机粉末的含量可以达到90wt％(重量百分比，下同)以上。粘结剂由POM(聚甲醛)和TPE(热塑性弹性材料)组成，POM优选均聚POM，粘结剂中POM和TPE的组分比为1:1。助剂由硅酮粉润滑剂和氧化锌热稳定剂组成，助剂中硅酮粉润滑剂和氧化锌热稳定剂的组分比为1:1。将上述原料混合，通过螺杆挤出机、成型挤出机头对混合好的原料进行挤压成型，得到线材，将线材通过拉丝机进行拉丝，得到直径一致的三维成型丝料。
金属基三维成型丝料实施例
在本实施例中，无机粉末为金属粉末，金属粉末的含量为91wt％，粘结剂的含量为7wt％，助剂的含量为2wt％。优选地，金属粉末选用铁粉或钛粉，金属粉末的粒径小于或等于30μm。更优选地，铁粉采用粒径为10μm至30μm的气雾化铁粉；钛粉采用粒径为10μm至30μm的气雾化钛粉。将本实施例的原料按照上述方法制成金属基三维成型丝料。
本实施例的FDM三维成型方法为：在FDM三维打印机内，从打印头的输入端输入本实施例的金属基三维成型丝料，从打印头的喷嘴端挤出熔融状的材料，熔融状的材料经过层层堆积形成初步成型物体，然后将初步成型物体进行脱脂处理，最后放置在真空、1360℃高温环境下烧结，得到成型物体。
研究人员在对本实施例的金属基三维成型丝料进行大量的实验后发现，原料中POM的熔点和TPE的硬度，是影响金属基三维成型丝料绕线难易程度、是否易堵打印头和打印出来的三维物体是否容易分层主要因素，实验条件和实验结果参见表1。
表1
Figure GDA0002870159940000041
Figure GDA0002870159940000051
从表1的第2-6组和第11-15组的实验结果可以看出：当POM的熔点为180℃至190℃、TPE的硬度在0至10度时，制备的三维成型丝料易于绕线，打印喷嘴打印过程中没有出现堵头现象，打印出的三维物体未出现分层现象。
由此可以看出，通过加入特殊熔点范围内的POM和特殊硬度范围内的TPE可以有效的提高金属基三维成型丝料的柔韧度，提高金属基三维成型丝料的缠绕性能，且打印不容易堵头，打印出的三维物体未出现分层现象。三维成型丝料中的金属含量可以高达91wt％，打印出的三维物体不易变形，可通过FDM打印机打印出金属产品。
陶瓷基三维成型丝料实施例
在本实施例中，无机粉末为陶瓷粉末，陶瓷粉末的含量为90wt％，粘结剂的含量为7wt％，助剂的含量为3wt％。
本实施例的FDM三维成型方法为：在FDM三维打印机内，从打印头的输入端输入本实施例的陶瓷基三维成型丝料，从打印头的喷嘴端挤出熔融状的材料，熔融状的材料经过层层堆积形成初步成型物体，然后将初步成型物体进行脱脂处理，最后放置在真空、1360℃高温环境下烧结，得到成型物体。
研究人员在对本实施例的陶瓷基三维成型丝料进行大量的实验后发现，原料中POM的熔点和TPE的硬度，是影响陶瓷基三维成型丝料绕线难易程度、是否易堵打印头和打印出来的三维物体是否容易分层主要因素，实验条件和实验结果参见表2。
表2
Figure GDA0002870159940000061
从表2的第25-29组和第34-38组的实验结果可以看出：当POM的熔点为180℃至190℃、TPE的硬度在0至10度时，制备的陶瓷基三维成型丝料易于绕线，打印喷嘴打印过程中没有出现堵头现象，打印出的三维物体未出现分层现象。
由此可以看出，通过加入特殊熔点范围内的POM和特殊硬度范围内的TPE可以有效的提高陶瓷基三维成型丝料的柔韧度，提高陶瓷基三维成型丝料的缠绕性能，且打印不容易堵头，打印出的三维物体未出现分层现象。三维成型丝料中的陶瓷含量可以高达90wt％，打印出的三维物体不易变形，可通过FDM打印机打印出陶瓷产品。
最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三维成型丝料，其特征在于，由以下组分的原料制成：
无机粉末，所述无机粉末为金属粉末或陶瓷粉末，所述无机粉末的含量为90wt％以上；
粘结剂，所述粘结剂由POM和TPE组成，所述POM的熔点在180℃至190℃之间，所述TPE的邵氏硬度在0至10度之间；
助剂，所述助剂由硅酮粉润滑剂和氧化锌热稳定剂组成。
2.根据权利要求1所述的三维成型丝料，其特征在于：
所述金属粉末的含量为91wt％，所述粘结剂的含量为7wt％，所述助剂的含量为2wt％。
3.根据权利要求2所述的三维成型丝料，其特征在于：
所述金属粉末为铁粉或钛粉。
4.根据权利要求3所述的三维成型丝料，其特征在于：
所述金属粉末的粒径小于或等于30μm。
5.根据权利要求4所述的三维成型丝料，其特征在于：
所述铁粉采用粒径为10μm至30μm的气雾化铁粉。
6.根据权利要求4所述的三维成型丝料，其特征在于：
所述钛粉采用粒径为10μm至30μm的气雾化钛粉。
7.根据权利要求1所述的三维成型丝料，其特征在于：
所述陶瓷粉末的含量为90wt％，所述粘结剂的含量为7wt％，所述助剂的含量为3wt％。
8.根据权利要求1至7任一项所述的三维成型丝料，其特征在于：
所述POM为均聚POM，所述粘结剂中POM和TPE的组分比为1:1。
9.根据权利要求8所述的三维成型丝料，其特征在于：
所述助剂中硅酮粉润滑剂和氧化锌热稳定剂的组分比为1:1。
10.FDM三维成型方法，其特征在于：
在FDM三维打印机内，从打印头的输入端输入如权利要求1至9任一项所述的三维成型丝料，从打印头的喷嘴端挤出熔融状的材料，熔融状的材料经过层层堆积形成初步成型物体，然后将所述初步成型物体进行脱脂处理，最后放置在真空、1360℃高温环境下烧结，得到成型物体。
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