CN111673079A - 三维成型丝料及其制备方法、三维打印机和三维成型方法 - Google Patents

三维成型丝料及其制备方法、三维打印机和三维成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种三维成型丝料及其制备方法、三维打印机和三维成型方法，将原料混合后，经螺杆挤出机、成型模具对混合好的所述原料进行挤压，利用拉丝机对挤出的线材进行拉丝；原料包括基材、粘结剂、TPE和EVA，所述基材为金属材料或陶瓷材料，所述TPE的含量为0.2wt％至0.6wt％，所述EVA的含量为0.2wt％至0.6wt％。本发明的三维成型丝料具有易绕卷、成型物体不易分层的优点。

Description

三维成型丝料及其制备方法、三维打印机和三维成型方法
技术领域
本发明涉及三维成型领域，具体是涉及一种三维成型丝料制备方法、三维打印机和三维成型方法。
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 objectmanufacturing,LOM)、选择性激光烧结(Selectivelaser 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。在现有技术中，珠海天威飞马打印耗材有限公司已经向市场公开销售了多种类型的FDM三维打印机、丝状打印材料、丝料盒，这些产品的结构特征和工作原理作为参考引入本文。
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易绕卷、成型后不易分层的三维成型丝料制备方法。
本发明的第二目的是提供一种由上述制备方法制备得到的三维成型丝料。
本发明的第三目的是提供一种三维打印机。
本发明的第四目的是提供一种三维成型方法。
为了实现上述的第一目的，本发明提供的三维成型丝料制备方法为：将原料混合后，经螺杆挤出机、成型模具对混合好的原料进行挤压，利用拉丝机对挤出的线材进行拉丝；原料包括基材、粘结剂、TPE和EVA，基材为金属材料或陶瓷材料，TPE的含量为0.2wt％至0.6wt％，EVA的含量为0.2wt％至0.6wt％。
由上述方案可见，在金属材料或陶瓷材料为基材的三维成型丝料中添加TPE和EVA可以有效的提高三维成型丝料的柔韧性，拉丝效果好，由此制备的三维成型丝料易于绕卷，由本方案的三维成型丝料打印出的三维物体不易分层。
进一步的方案是，TPE的含量为0.5wt％，EVA的含量为0.3％。
可见，当TPE的含量为0.5wt％，EVA的含量为0.3wt％时，三维成型丝料具有较好的断裂伸长率和折弯次数。
优选地，金属材料为以下物质中的至少一种：Fe/Ni金属材料、Wc/Co/Cu金属材料、YBa2Cu3O7金属材料、Si/Al金属材料、Al2O3/TiC金属材料、铁金属材料、钴金属材料、钼金属材料、铬金属材料、铌金属材料、镍金属材料、锰金属材料、钨金属材料、铜金属材料、铝金属材料。
优选地，陶瓷材料为SiC材料或Si3N4材料。
优选地，粘结剂为以下物质中的至少一种：塑基粘结剂、蜂蜡、硬脂酸、巴西棕榈蜡、乙烯丙烯酸乙酯、SAN树脂、ABS树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、二丙二醇甲谜醋酸酯、2-吡咯烷酮、聚对苯二甲酸丁二醇酯、乙基纤维素、醋酸纤维、羟丙基纤维素、低氮硝化纤维素、乙烯-丁烯纤维素、聚乙烯缩丁醛、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯、尼龙。
进一步的方案是，基体的含量为88.50wt％，粘结剂的含量为10.20wt％。
进一步的方案是，三维成型丝料的原料组分中还包括稳定剂，稳定剂为氧化锌类热稳定剂。
为实现上述的第二目的，本发明提供的三维成型丝料通过如上述的三维成型丝料制备方法制备得到。
为实现上述的第三目的，本发明提供的三维打印机为FDM三维打印机，FDM三维打印机包括打印平台、打印头和三维成型丝料，打印头可相对于打印平台在三维方向上移动，缠绕在FDM三维打印机的丝料盘上，三维成型丝料采用如上述的三维成型丝料。
为实现上述的第四目的，本发明提供的三维成型方法为：使用如上述的FDM三维打印机将所述三维成型丝料熔融后逐层成型在打印平台上形成初步固化物体，然后将初步固化物体放置在真空、1300摄氏度高温环境下烧结。
具体实施方式
本发明提供一种三维成型丝料制备方法，制备得到的三维成型丝料柔韧性好、易绕卷、吐丝顺畅，由本发明的三维成型丝料打印成型的三维物体不易分层，可靠性好。制备本发明的三维成型丝料的原料组分包括基材、粘结剂、稳定剂、TPE(热塑性弹性材料)和EVA(乙酸-醋酸乙烯)，其中基材为金属材料或陶瓷材料。
金属材料选自以下物质中的至少一种：Fe/Ni金属材料、Wc/Co/Cu金属材料、YBa2Cu3O7金属材料、Si/Al金属材料、Al2O3/TiC金属材料、铁金属材料、钴金属材料、钼金属材料、铬金属材料、铌金属材料、镍金属材料、锰金属材料、钨金属材料、铜金属材料、铝金属材料。
陶瓷材料为SiC材料或Si3N4材料。
粘结剂选自以下物质中的至少一种：塑基粘结剂、蜂蜡、硬脂酸、巴西棕榈蜡、乙烯丙烯酸乙酯、SAN树脂、ABS树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、二丙二醇甲谜醋酸酯、2-吡咯烷酮、聚对苯二甲酸丁二醇酯、乙基纤维素、醋酸纤维、羟丙基纤维素、低氮硝化纤维素、乙烯-丁烯纤维素、聚乙烯缩丁醛、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯、尼龙。
稳定剂为氧化锌类热稳定剂。
1、金属基三维成型丝料实施例。
表1
Figure BDA0002529820850000051
表1中给出了9组不同配比的金属基三维成型丝料的原料组分，各组分的含量均以重量百分比计。
将上述每一组的原料组分混合后，经螺杆挤出机、成型模具对混合好的原料进行挤压，利用拉丝机对挤出的线材进行拉丝，使线材的直径保持一致，得到9组三维成型丝料。
测试这9组三维成型丝料的断裂伸长率并记录在表2中。将这9组三维成型丝料在弯曲试验机上连续均匀反复弯曲，记录折断前的弯折次数。将这9组三维成型丝料围绕规定直径试验棒，绕卷规定圈数，观察三维成型丝料表面变化情况，容易断裂表明收卷困难，不易断裂表明收卷容易，将结果记录在表2。将9组三维成型丝料分别通过FDM三维打印机打印三维物体(三维成型丝料从打印喷嘴端挤出初步堆积成型，然后把初步三维打印成型后的物体，放置在真空1300摄氏度高温环境下烧结，最终完成三维物体成型)，检测三维物体是否容易分层，结果记录在表2。
表2
Figure BDA0002529820850000061
从表2的实验结果可以看出，第3-7组的配方制备的三维成型丝料打印出的三维物体未出现分层现象，且这几组的三维成型丝料容易收卷。结合表1和表2可以看出，通过加入TPE和EVA可以有效的提高金属基三维成型丝料的柔韧度，当TPE的添加量在0.2wt％以上时，金属基三维成型丝料容易绕卷；当TPE的添加量控制在0.2wt％至0.6wt％、EVA的添加量控制在0.2wt％至0.6wt％时得到的金属基三维成型丝料打印不分层，具有很好的产品质量。从第7组的实验数据可以看出，当TPE的含量为0.6wt％，EVA的含量为0.2wt％时，得到的金属基三维成型丝料不仅获得的三维成型物体不易分层，而且具有很好的断裂伸长率和折弯次数，由此获得的金属基三维成型丝料的性能最佳。
2、陶瓷基三维成型丝料实施例。
表3
Figure BDA0002529820850000071
表3中给出了9组不同配比的陶瓷基三维成型丝料的原料组分，各组分的含量均以重量百分比计。表3中同时给出了陶瓷基三维成型丝料的实验数据，陶瓷基三维成型丝料的制备方法和实验手段均与金属基三维成型丝料相同。从表3的结果中可以看出，通过加入TPE和EVA可以有效的提高陶瓷基三维成型丝料的柔韧度，当TPE的添加量在0.2wt％以上时，陶瓷基三维成型丝料容易绕卷；当TPE的添加量控制在0.2wt％至0.6wt％、EVA的添加量控制在0.2wt％至0.6wt％时，得到的陶瓷基三维成型丝料打印不分层，具有很好的产品质量。从第17组的实验数据可以看出，当TPE的含量为0.6wt％，EVA的含量为0.2wt％时，得到的金属基三维成型丝料不仅获得的三维成型物体不易分层，而且具有很好的断裂伸长率和折弯次数，由此获得的金属基三维成型丝料的性能最佳。
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)

1.三维成型丝料制备方法，其特征在于:
将原料混合后，经螺杆挤出机、成型模具对混合好的所述原料进行挤压，利用拉丝机对挤出的线材进行拉丝；
所述原料包括基材、粘结剂、TPE和EVA，所述基材为金属材料或陶瓷材料，所述TPE的含量为0.2wt％至0.6wt％，所述EVA的含量为0.2wt％至0.6wt％。
2.根据权利要求1所述的三维成型丝料制备方法，其特征在于：
所述TPE的含量为0.5wt％，所述EVA的含量为0.3％。
3.根据权利要求1或2所述的三维成型丝料制备方法，其特征在于：
所述金属材料为以下物质中的至少一种：Fe/Ni金属材料、Wc/Co/Cu金属材料、YBa2Cu3O7金属材料、Si/Al金属材料、Al2O3/TiC金属材料、铁金属材料、钴金属材料、钼金属材料、铬金属材料、铌金属材料、镍金属材料、锰金属材料、钨金属材料、铜金属材料、铝金属材料。
4.根据权利要求1或2所述的三维成型丝料制备方法，其特征在于：
所述陶瓷材料为SiC材料或Si 3N4材料。
5.根据权利要求1或2所述的三维成型丝料制备方法，其特征在于：
所述粘结剂为以下物质中的至少一种：塑基粘结剂、蜂蜡、硬脂酸、巴西棕榈蜡、乙烯丙烯酸乙酯、SAN树脂、ABS树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、二丙二醇甲谜醋酸酯、2-吡咯烷酮、聚对苯二甲酸丁二醇酯、乙基纤维素、醋酸纤维、羟丙基纤维素、低氮硝化纤维素、乙烯-丁烯纤维素、聚乙烯缩丁醛、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯、尼龙。
6.根据权利要求1或2所述的三维成型丝料制备方法，其特征在于：
所述基体的含量为88.50wt％，所述粘结剂的含量为10.20wt％。
7.根据权利要求1或2所述的三维成型丝料制备方法，其特征在于：
所述三维成型丝料的原料组分中还包括稳定剂，所述稳定剂为氧化锌类热稳定剂。
8.三维成型丝料，其特征在于：通过如权利要求1至7任一项所述的三维成型丝料制备方法制备得到。
9.三维打印机，其特征在于：所述三维打印机为FDM三维打印机，所述FDM三维打印机包括：
打印平台；
打印头，所述打印头可相对于所述打印平台在三维方向上移动；
三维成型丝料，缠绕在所述FDM三维打印机的丝料盘上；
其特征在于：
所述三维成型丝料采用如权利要求8所述的三维成型丝料。
10.三维成型方法，其特征在于：
使用如权利要求9所述的FDM三维打印机将所述三维成型丝料熔融后逐层成型在所述打印平台上形成初步固化物体，然后将所述初步固化物体放置在真空、1300摄氏度高温环境下烧结。
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