CN110153406B - 用于金属3dp工艺的粘结剂及其制备方法 - Google Patents

用于金属3dp工艺的粘结剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了用于金属3DP工艺的粘结剂及制备方法。粘结剂的组分按质量份包括：基料80～99份、表面活性剂1～10份、催化剂1～5份、润滑剂1～5份；表面活性剂包括分散剂与润湿剂，分散剂为聚山梨酯、山梨醇酐单硬脂酸酯、聚乙烯醇和聚乙二酸中的至少一种，润湿剂为硬脂酸甲酯、硬脂酸正丁酯、硬脂酸辛酯和硬脂酸甘油酯中的至少一种，将基料、润湿剂、分散剂、润滑剂按照上述比例混合均匀后制得所述粘结剂。本发明通过优化粘结剂的配方，改善了粘结剂的润湿性、粘度和流动性，有效控制了材料的烧结收缩率，对成型的尺寸精度控制范围可以达到0.1％～3％，并且降低了脱脂的难度。

Description

用于金属3DP工艺的粘结剂及其制备方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，具体涉及金属3DP工艺的粘结剂及其制备方法。
背景技术
三维印刷(Three-Dimension Printing，3DP)又称粘结剂喷射(Binder Jetting，BJ)，该技术基于微滴喷射原理，利用喷头选择性喷射液体粘结剂(和固化剂)，将离散粉末材料逐层按路径打印(堆积)成型，从而获得所需制件。其中用于打印头喷射的粘结剂(和固化剂)要求性能稳定，能长期储存，对喷头无腐蚀，低毒环保，粘度低，表面张力适宜，以便按预期的流量从喷头中喷出，且不易干涸，并延长喷头抗堵塞时间等一系列要求。因此，要达到液体粘结剂所需条件，满足最终打印产品的各种性能要求，针对不同的粘结剂类型，常常需要在其中添加促凝剂、增流剂、保湿剂、润滑剂、pH调节剂等多种发挥不同作用的添加剂。
目前采用金属粉末进行3DP工艺存在以下缺点：1、利用3DP技术打印出的金属制品只能通过粉末粘结，受粘结剂材料限制，打印烧结后的成品致密度较低；2、喷头对喷射液体粘度和表面张力范围、兼容性等的严格要求，很大程度上也限制了3D打印技术使用粘结剂的范围。这使得金属3DP制造工艺对粘结剂的要求也越来越高，因而要求人们对原有的粘结剂性能进行改善并不断开发出新型粘结剂。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种用于金属3DP工艺的粘结剂及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
提出了一种用于金属3DP工艺的粘结剂，所述粘结剂的组分按质量份包括：基料80～99份、表面活性剂1～10份、催化剂1～5份、润滑剂1～5份；所述表面活性剂包括分散剂与润湿剂，所述分散剂为聚山梨酯、山梨醇酐单硬脂酸酯、聚乙烯醇和聚乙二酸中的至少一种，所述润湿剂为硬脂酸甲酯、硬脂酸正丁酯、硬脂酸辛酯和硬脂酸甘油酯中的至少一种。
优选地，所述基料为丙烯酸、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯和N-羟甲基丙烯酰胺中的至少一种。
优选地，所述润滑剂为液相石蜡、聚乙烯蜡、聚氧乙烯蜡、聚丙烯蜡和聚酯蜡中的至少一种。
优选地，所述催化剂为1-甲基咪唑、1，2-二甲基咪唑和N，N-二甲基苄胺中的一种或两种。
本发明还提供了上述粘结剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将基料、表面活性剂和润滑剂混合均匀；
步骤二、向步骤一混合均匀后的混合物中加入催化剂并搅拌均匀，即制得所述粘结剂。
优选地，步骤一中，采用超声振动法将基料、表面活性剂和润滑剂混合均匀。
优选地，超声振动前先对基料、表面活性剂和润滑剂进行机械搅拌。
上述所用的润湿剂与分散剂均属于表面活性剂。表面活性剂中含有羧基、羟基、脂基、聚乙烯共聚物等结构，可以有效的提高粘结剂与金属粉末之间的湿润性，有效地改变固体表面性质，降低粉末的表面官活化能，促进粘结剂在粉末表面的铺展。表面活性剂在粘结剂和合金粉末之间起到桥梁的作用，其亲水性基团与合金粉末结合，疏水基团与粘结剂结合，提高粘结剂与粉末的作用效果。同时，加入表面活性剂可以减少粘结剂与金属粉末的分离，提高粘结剂在合金粉末上的包覆效果。
本发明的有益效果为：本发明通过优化粘结剂的配方，改善了粘结剂的润湿性、粘度和流动性，有效控制了材料的烧结收缩率，对成型的尺寸精度控制范围可以达到0.1％～3％，并且降低了脱脂的难度。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，本发明所涉及的粘结剂及其制备方法包括但不局限于实施例所列的具体方案。
用于本发明实施例1～5的金属粉末3DP工艺，采用的是阵列式喷头喷墨打印技术。打印过程类似于印刷过程，是一种线性运动，根据需要可以2个或多个喷头组合使用，进一步提高打印效率。选择合适的粘结剂与阵列式喷头相匹配，作用于金属粉末上，有助于缩短3D打印时间，达到快速成型的目的。
实施例1：
(1)将基料、润湿剂、分散剂、润滑剂按照85∶4∶4∶4的质量比例机械搅拌和超声振动混合均匀，所述基料为丙烯酸与丙烯酸羟乙酯的混合物，且丙烯酸与丙烯酸羟乙酯的质量配比为9∶8，所述润湿剂为硬脂酸甲酯；所述分散剂为聚山梨酯；所述润滑剂为液相石蜡；
(2)向步骤(1)中混合均匀的混合物中添加3份催化剂，所用催化剂为1-甲基咪唑，搅拌均匀后制得所述用于金属3DP工艺的粘结剂。
将上述制得的预备粘结剂在常温(25℃)的条件下进行表面张力测试，测得所述预备粘结剂的表面张力为32N·m-1，粘度为29Pa·s。
所述粘结剂的使用方法I：a)在金属3DP工艺设备上导入需要打印的模型文件；b)将上述制备好的粘结剂加入喷头中，粒径分布在5～100μm的金属粉体，铺到粉料缸中；c)3DP工艺成形开始，每铺粉一次，喷嘴组1按照层面图形喷射上述制得的粘结剂；d)喷嘴组2也按照层面图形喷射固化剂，实现快速固化，然后下降一层，如此重复，直至成形完成。
所述粘结剂的使用方法II：a)在金属3DP工艺设备上导入需要打印的模型文件；b)将上述制备好的粘结剂加入喷头中，将固化剂与粒径分布在5～100μm的金属粉体混合均匀并铺到粉料缸中；c)3DP工艺成形开始，每铺粉一次，喷嘴组按照层面图形喷射上述制得的粘结剂；d)粘结剂与预混到金属粉末的固化剂发生反应，实现快速固化，然后下降一层，如此重复，直至成形完成。
所述固化剂的成分为乌洛托品水溶液，其中乌洛托品与水的质量比例为1:1.5。
实施例2：
(1)将基料、润湿剂、分散剂、润滑剂按照85∶4∶4∶3的质量比例机械搅拌和超声振动混合均匀，所述基料为丙烯酸与丙烯酸羟丙酯的混合物，且丙烯酸与丙烯酸羟丙酯的质量配比为9∶8，所述润湿剂为硬脂酸正丁酯；所述分散剂为山梨醇酐单硬脂酸；所述润滑剂为液相石蜡；
(2)向步骤(1)中混合均匀的混合物中添加4份催化剂，所用催化剂为1-甲基咪唑，搅拌均匀后制得所述用于金属3DP工艺的粘结剂。
将上述制得的预备粘结剂在常温(25℃)的条件下进行表面张力测试，测得所述预备粘结剂的表面张力为35N·m-1，粘度为32Pa·s。
所述粘结剂的使用方法I：a)在金属3DP工艺设备上导入需要打印的模型文件；b)将上述制备好的粘结剂加入喷头中，粒径分布在5～100μm的金属粉体，铺到粉料缸中；c)3DP工艺成形开始，每铺粉一次，喷嘴组1按照截面图形喷射上述制得的粘结剂；d)喷嘴组2也按照模型喷射固化剂，实现快速固化，然后下降一层，如此重复，直至成形完成。
所述粘结剂的使用方法II：a)在金属3DP工艺设备上导入需要打印的模型文件；b)将上述制备好的粘结剂加入喷头中，将固化剂与粒径分布在5～100μm的金属粉体混合均匀并铺到粉料缸中；c)3DP工艺成形开始，每铺粉一次，喷嘴组按照层面图形喷射上述制得的粘结剂；d)粘结剂与预混到金属粉末的固化剂发生反应，实现快速固化，然后下降一层，如此重复，直至成形完成。
所述固化剂的成分为乌洛托品水溶液，其中乌洛托品与水的质量比例为1:1.5。
实施例3：
(1)将基料、润湿剂、分散剂、润滑剂按照85∶5∶4∶3的质量比例机械搅拌和超声振动混合均匀，所述基料为丙烯酸与N-羟甲基丙烯酰胺的混合物，且丙烯酸与N-羟甲基丙烯酰胺的质量配比为10∶7，所述润湿剂为硬脂酸辛酯；所述分散剂为聚乙烯醇；所述润滑剂为液相石蜡；
(2)向步骤(1)中混合均匀的混合物中添加3份催化剂，所用催化剂为1，2-二甲基咪唑，搅拌均匀后制得所述用于金属3DP工艺的粘结剂。
将上述制得的预备粘结剂在常温(25℃)的条件下进行表面张力测试，测得所述预备粘结剂的表面张力为33N·m-1，粘度为28Pa·s。
所述粘结剂的使用方法I：a)在金属3DP工艺设备上导入需要打印的模型文件；b)将上述制备好的粘结剂加入喷头中，粒径分布在5～100μm的金属粉体，铺到粉料缸中；c)3DP工艺成形开始，每铺粉一次，喷嘴组1按照截面图形喷射上述制得的粘结剂；d)喷嘴组2也按照截面图形喷射固化剂，实现快速固化，然后下降一层，如此重复，直至成形完成。
所述粘结剂的使用方法II：a)在金属3DP工艺设备上导入需要打印的模型文件；b)将上述制备好的粘结剂加入喷头中，将固化剂与粒径分布在5～100μm的金属粉体混合均匀并铺到粉料缸中；c)3DP工艺成形开始，每铺粉一次，喷嘴组按照层面图形喷射上述制得的粘结剂；d)粘结剂与预混到金属粉末的固化剂发生反应，实现快速固化，然后下降一层，如此重复，直至成形完成。
所述固化剂的成分为乌洛托品水溶液，其中乌洛托品与水的质量比例为1:1.5。
实施例4：
(1)将基料、润湿剂、分散剂、润滑剂按照88∶3∶3∶3的质量比例机械搅拌和超声振动混合均匀，所述基料为丙烯酸羟丙酯与N-羟甲基丙烯酰胺的混合物，且丙烯酸羟丙酯与N-羟甲基丙烯酰胺的质量配比为1∶1，所述润湿剂为硬脂酸甘油酯；所述分散剂为山梨醇酐单硬脂酸酯；所述润滑剂为聚乙烯蜡；
(2)向步骤(1)中混合均匀的混合物中添加3份催化剂，所用催化剂为N，N-二甲基苄胺，搅拌均匀后制得所述用于金属3DP工艺的粘结剂。
将上述制得的预备粘结剂在常温(25℃)的条件下进行表面张力测试，测得所述预备粘结剂的表面张力为29N·m-1，粘度为26Pa·s。
所述粘结剂的使用方法I：a)在金属3DP工艺设备上导入需要打印的模型文件；b)将上述制备好的粘结剂加入喷头中，粒径分布在5～100μm的金属粉体，铺到粉料缸中；c)3DP工艺成形开始，每铺粉一次，喷嘴组1按照截面图形喷射上述制得的粘结剂；d)喷嘴组2也按照模型喷射固化剂，实现快速固化，然后下降一层，如此重复，直至成形完成。
所述粘结剂的使用方法II：a)在金属3DP工艺设备上导入需要打印的模型文件；b)将上述制备好的粘结剂加入喷头中，将固化剂与粒径分布在5～100μm的金属粉体混合均匀并铺到粉料缸中；c)3DP工艺成形开始，每铺粉一次，喷嘴组按照层面图形喷射上述制得的粘结剂；d)粘结剂与预混到金属粉末的固化剂发生反应，实现快速固化，然后下降一层，如此重复，直至成形完成。
所述固化剂的成分为乌洛托品水溶液，其中乌洛托品与水的质量比例为1:1.5。
实施例5：
(1)将基料、润湿剂、分散剂、润滑剂按照88∶3∶2∶4的质量比例机械搅拌和超声振动混合均匀，所述基料为丙烯酸羟乙酯与N-羟甲基丙烯酰胺的混合物，且丙烯酸羟乙酯与N-羟甲基丙烯酰胺的质量配比为6∶5，所述润湿剂为硬脂酸甲酯与硬脂酸甘油酯的混合物，且硬脂酸甲酯与硬脂酸甘油酯的质量配比为2∶1，所述分散剂为聚山梨酯；所述润滑剂为聚乙烯蜡；
(2)向步骤(1)中混合均匀的混合物中添加3份催化剂，所用催化剂为1，2-二甲基咪唑，搅拌均匀后制得所述用于金属3DP工艺的粘结剂。
将上述制得的预备粘结剂在常温(25℃)的条件下进行表面张力测试，测得所述预备粘结剂的表面张力为31N·m-1，粘度为29Pa·s。
所述粘结剂的使用方法I：a)在金属3DP工艺设备上导入需要打印的模型文件；b)将上述制备好的粘结剂加入喷头中，粒径分布在5～100μm的金属粉体，铺到粉料缸中；c)3DP工艺成形开始，每铺粉一次，喷嘴组1按照截面图形喷射上述制得的粘结剂；d)喷嘴组2也按照截面图形喷射固化剂，实现快速固化，然后下降一层，如此重复，直至成形完成。
所述粘结剂的使用方法II：a)在金属3DP工艺设备上导入需要打印的模型文件；b)将上述制备好的粘结剂加入喷头中，将固化剂与粒径分布在5～100μm的金属粉体混合均匀并铺到粉料缸中；c)3DP工艺成形开始，每铺粉一次，喷嘴组按照层面图形喷射上述制得的粘结剂；d)粘结剂与预混到金属粉末的固化剂发生反应，实现快速固化，然后下降一层，如此重复，直至成形完成。
所述固化剂的成分为乌洛托品水溶液，其中乌洛托品与水的质量比例为1:1.5。

Claims (6)

1.一种用于金属3DP工艺的粘结剂，其特征在于，所述粘结剂的组分按质量份包括：基料80～99份、表面活性剂1～10份、催化剂1～5份、润滑剂1～5份；所述表面活性剂包括分散剂与润湿剂，所述分散剂为聚山梨酯、山梨醇酐单硬脂酸酯、聚乙烯醇和聚乙二酸中的至少一种，所述润湿剂为硬脂酸甲酯、硬脂酸正丁酯、硬脂酸辛酯和硬脂酸甘油酯中的至少一种，所述基料为丙烯酸、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯和N-羟甲基丙烯酰胺中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的粘结剂，其特征在于，所述润滑剂为液相石蜡、聚乙烯蜡、聚氧乙烯蜡、聚丙烯蜡和聚酯蜡中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的粘结剂，其特征在于，所述催化剂为1-甲基咪唑、1，2-二甲基咪唑和N，N-二甲基苄胺中的一种或两种。
4.一种权利要求1～3任一项所述的粘结剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将基料、表面活性剂和润滑剂混合均匀；
步骤二、向步骤一混合均匀后的混合物中加入催化剂并搅拌均匀，即制得所述粘结剂。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤一中，采用超声振动法将基料、表面活性剂和润滑剂混合均匀。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，超声振动前先对基料、表面活性剂和润滑剂进行机械搅拌。
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