CN111409266A

CN111409266A - 易剥离的支撑材料及应用该材料的3d打印机

Info

Publication number: CN111409266A
Application number: CN201910009982.3A
Authority: CN
Inventors: 严铜
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-01-06
Filing date: 2019-01-06
Publication date: 2020-07-14

Abstract

本发明公开了一种易剥离的支撑材料及应用该材料的3D打印机，解决当前FDM型3D打印机在打印工程塑料时缺少易剥离的支撑方案的问题。采用在常温下即为膏体状的支撑材料，在挤出后，膏体材料会在模型构建环境中硬化，从而很好的实现了支撑功能。膏体状物质硬化后通过敲击或液体浸泡即可方便地去除。采用上述材料的打印机利用定量泵将膏体状支撑材料泵至喷头并挤出成型。利用膏体状支撑材料会硬化，且硬化后易碎的特性，解决了工程塑料打印时的支撑问题。

Description

易剥离的支撑材料及应用该材料的3D打印机

技术领域

本发明属于3D打印机技术领域，具体涉及一种易剥离的支撑材料以及应用该材料的3D打印机。

背景技术

3D打印技术是一种快速成形技术，它以数字三维模型文件为基础，将金属、塑料、光敏树脂等成型材料通过逐层打印的方式成型物体的技术，属于增材制造。目前基于熔融沉积成型（FDM：Fused Deposition Modeling）原理的3D打印机由于结构简单，适用材料种类丰富，设备及耗材成本低等优势，已成为普及率最高的一种3D打印机。

当打印模型存在悬空结构时，3D打印要求通过相应的支撑结构给予模型的悬空部分一定的支撑，以保证模型可以顺利成型。目前FDM打印技术最常见的支撑方式是直接使用与模型相同的材料打印支撑结构，当前市面上主流的桌面打印机均采用此方式。这种方式的优点是结构简单、易于实现，但后期去支撑的难度很大，稍不注意就会破坏模型部分。

另一种方式是支撑部分的材料采用可剥离的材料或者水溶性的材料，目前最常见的水溶性材料就是聚乙烯醇，其在通用塑料打印方面的应用比较成功，可以较理想地解决这类材料的去支撑问题。但因为聚乙烯醇的热变形温度较低，若使用其直接作为工程塑料打印时的支撑，则会因为构建环境温度过高导致聚乙烯醇软化而无法起到支撑作用，这种问题在大尺寸模型时尤为明显。因此，采用聚乙烯醇材料直接作为支撑材料的方式无法很好的解决工程塑料打印时的支撑问题。

为解决上述问题，美国Stratasys公司在其公告号为CN1552017B的专利《三维造型的材料和方法》中提出一种可剥离的树脂类支撑材料。这种材料的热变形温度可以做到120℃左右或者更高，且其具有较弱的粘合力，因而可以使支撑材料可以方便的从模型上取下。这种材料依然是热塑性树脂材料，因此对于不同的模型材料，需要与其相匹配的支撑材料，即需要满足支撑材料与模型材料为弱粘合，且两种材料热变形温度的差值小于20℃两大条件。该技术方案要求为不同的模型材料准备不同的支撑材料，因而会导致支撑材料的种类也会非常多。并且对于像聚醚醚酮这类热变形温度极高的材料，找到能与其匹配的支撑材料难度很大。

据本发明人目前了解到，国内目前还未见到有厂商提出该问题的解决方案。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种能够适用工程塑料打印的易剥离支撑材料，该材料为膏体状物质，可在模型构建环境中硬化，且硬化后可以通过敲击或液体浸泡的方法将其去除。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

提出一种易剥离的支撑材料，所述支撑材料呈膏体状；所述材料从喷嘴挤出后可在模型的构建环境中硬化，且硬化后的支撑材料可通过敲击或液体浸泡将其去除而不会导致模型损伤。

常见如牙膏、导热硅胶、石膏等都具有上述特性，不同的是牙膏是由于膏体中的水份挥发而硬化，导热硅胶是由于液态硅胶在空气中发生了交联反应而硬化，石膏则是由于熟石膏粉与水混合后，生成了二水硫酸钙而硬化。由于这些材料的粘接力均不算高，配合合适的支撑打印路径，都可轻易通过物理方法进行剥离。

导热硅胶的交联反应是不可逆的，若采用硅胶作为支撑材料，则储存罐到喷嘴之间需要全程都有非常良好的密封，或者材料需要在打印完成后就全部清理掉，以防止其在料管内硬化使料管堵塞。

石膏粉的化学反应一般会在0.5~2小时左右反应完全，因此不易将其先制成膏体状材料再存储起来使用。若要作为支撑材料并长时间打印，则需要支撑材料喷头能够按需将石膏粉与水混合，对应的喷头结构较为复杂。

因此相较而言，三种硬化方式中挥发硬化方式用来实现3D打印的易剥离支撑会更简单方便。

优选地，所述材料是由粉末状固体物质与液体材料混合制成。

优选地，为了改善和优化材料在硬化前的流动性、触变性以及挤出后的硬化效果，可以根据需要在液体材料中加入粘结剂、分散剂、悬浮剂、增稠剂、触变剂等。

优选地，所述粉末状固体物质为高岭土，所述液体材料为水，高岭土与水的混合物本身就具有一定的可塑性、结合性以及粘性，且水份挥发后的硬化效果较好。

优选地，所述材料中添加硅酸镁铝作为悬浮剂、增稠剂以及触变剂，以进一步提高其流动性及触变性。

优选地，所述支撑材料中高岭土的含量为45wt%~55wt%，硅酸镁铝含量为2 wt%~7wt%，水含量为43wt%~48wt%。

本发明同时提出一种3D打印机，使用权利要求1~5中任意一项所述的易剥离支撑材料作为打印机的支撑材料，包含支撑材料喷头，还包含供料管、定量泵以及储料罐，所述定量泵将储料罐中的膏状支撑材料泵至支撑材料喷头，并从喷嘴中挤出。

优选地，所述定量泵安装在靠近支撑材料喷头的位置，定量泵与喷头之间的供料管长度不超过300mm。

优选地，所述储料罐为密封结构，储料罐上设有增压气泵接口。给储料罐增压可以使罐中的膏体状支撑材料顺利流向定量泵。

优选地，所述定量泵为蠕动泵。

现有技术中FDM打印技术基本都是采用与模型材料打印相同的原理来成型支撑材料，热塑性树脂材料经喷头组件熔融液化后挤出成型实现对模型材料的支撑，该技术原理受材料特性的限制，在对工程塑料类材料的支撑方面存在一定不足，本发明则是采用膏体状的支撑材料，在挤出后，膏体材料会在模型构建环境中硬化，从而很好地实现了支撑功能。膏体状物质硬化后通过敲击或液体浸泡即可方便地去除，因而具有很好的易剥离特性。

对于采用高岭土配制成的膏体状支撑材料，在挤出成型后，会因为水份蒸发而板结硬化，硬化后高岭土具有很高的抗压强度，能够很好地支撑住其上模型材料的成型。由于硬化后的支撑材料抗冲击强度较差，受到敲击会碎裂成小块，从而可以很方便的去除硬化后的支撑材料。高岭土硬化后用水浸泡也会使其再次软掉，因此也可以通过用水浸泡来去除支撑。

附图说明

图1为本发明易剥离支撑3D打印机的结构示意图。

图中：1.支撑材料喷头，2.定量泵，3.供料管，4.储料罐，5.增压气泵接口6.减压阀。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明易剥离的支撑材料和应用该材料的3D打印机做进一步描述，以便于更清楚的理解本发明所要求保护的技术思想。

易剥离的支撑材料实施例：

高岭土作为一种优质陶土，常用来烧制陶瓷制品，高岭土粉末具有耐高温的特性，熔点约1785℃，烧结温度通常在1000℃以上，而通用塑料到特种工程塑料的成型温度范围基本都在450℃以内，因此从耐高温角度上说，高岭土用作支撑材料完全没有问题。同时，高岭土具有良好的粘性及塑性，将其作为工程塑料支撑材料具有很大的优势。

本实施例中粉末状固体物质为高岭土，并以水为分散剂、以硅酸镁铝作为悬浮剂、增稠剂以及触变剂，制得具有良好流动性与触变性的膏体状材料。材料中含有45wt%~55wt%的高岭土，2wt%~7wt%的硅酸镁铝以及43wt%~48wt%的水均匀混合搅拌制得膏体状物质。

膏体状材料水份挥发后，形成具有较高抗压强度的固体块，该固体块易碎，轻轻敲击即可使其完全碎裂，具有优异的可剥离特性。

其中不同实施例中各组分质量含量如下表所示：

一种应用易剥离支撑材料的3D打印机实施例：

图1所展示的是一种应用易剥离支撑材料的3D打印机支撑材料供料部分的结构示意图，由支撑材料喷头1、定量泵2、供料管3、以及储料罐4组成。本实施例中所使用的定量泵2为蠕动泵。

蠕动泵2利用负压通过供料管3从储料罐4中将膏体状支撑材料泵至支撑材料喷头1中，并从其喷嘴中挤出，喷头按照切片路径打印三维物体的支撑部分。

为了减小材料的挤出延迟，需要缩短蠕动泵2与支撑材料喷头1之间的供料管3的长度。该长度越短，则材料挤出对蠕动泵2控制信号的响应就会越及时。本实施例中，该段供应管的长度为120mm。

由于支撑材料呈膏体状，因此单纯依靠负压抽取，能够传输的距离较短，且速度较慢，为了使粘稠的膏体状材料能够顺利输送，储料罐设计为全密封结构，同时增加增压气泵接口5，并增加减压阀6用于调节输送管内部的压强。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.易剥离的支撑材料，其特征在于，所述支撑材料呈膏体状；所述材料从喷嘴挤出后可在模型的构建环境中硬化，且硬化后的支撑材料可通过敲击或液体浸泡将其去除而不会导致模型损伤。

2.如权利要求1所述的易剥离的支撑材料，其特征在于，所述材料是由粉末状固体物质与液体材料混合制成。

3.如权利要求2所述的易剥离的支撑材料，其特征在于，所述液体材料中包含粘结剂、分散剂、悬浮剂、增稠剂、触变剂中的一种或多种添加剂。

4.如权利要求3所述的易剥离的支撑材料，其特征在于，所述粉末状固体物质为高岭土，所述液体材料为水。

5.如权利要求4所述的易剥离的支撑材料，其特征在于，所述材料中采用硅酸镁铝作为悬浮剂、增稠剂以及触变剂。

6.如权利要求5所述的易剥离的支撑材料，其特征在于，所述支撑材料中高岭土的含量为45wt%~55wt%，硅酸镁铝含量为2wt%~7wt%，水含量为43wt%~48wt%。

7.一种3D打印机，使用权利要求1~5中任意一项所述的易剥离支撑材料作为打印机的支撑材料，包含支撑材料喷头，其特征在于，还包含供料管、定量泵以及储料罐，所述定量泵将储料罐中的膏体状支撑材料泵至支撑材料喷头，并从喷嘴中挤出。

8.如权利要求7所述的一种3D打印机，其特征在于，所述定量泵安装在靠近支撑材料喷头的位置，定量泵与喷头之间的供料管长度不超过300mm。

9.如权利要求7所述的一种3D打印机，其特征在于，所述储料罐为密封结构，储料罐上设有增压气泵接口。

10.如权利要求7所述的一种3D打印机，其特征在于，所述定量泵为蠕动泵。