CN112743848A - 一种3d打印模型表面处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种3D打印模型表面处理方法，涉及3D打印模型后处理技术领域。本发明提供的3D打印模型表面处理方法简单、可操作性强、成本低，该方法包括内表面处理和外表面处理。外表面处理：首先将3D打印模型外表面进行磨抛，降低模型表面粗糙度，然后进行光油处理，在外表层形成致密的涂层，提高模型外表面的透明度；内表面处理：首先将3D打印模型内表面进行彻底清洗，除去模型内表面吸附的支撑树脂材料、清洗剂(如碱液)等物质，使得模型内表面清洁，然后进行镀层溶液处理，在内表面形成涂层，实现模型内表面润湿性的改造、或使得内表面镀有土壤颗粒(或粉末)，满足3D打印模型符合地下岩石表面的要求。

Description

一种3D打印模型表面处理方法
技术领域
本发明涉及3D打印模型后处理技术领域，尤其是涉及一种3D打印模型表面处理方法。
背景技术
3D打印技术可以对非对称、结构复杂的具有三维多曲面的等精密模型进行个性化定制，具有成本低、周期短、精度高和复制性强等优点，目前已广泛应用于生物医疗、航空航天、文化创意、工业模型、地质模型、石油化工等领域。3D打印技术一般制备流程有三步：(1)模型设计，通过实体扫描或者软件建模，构建三维数据模型(STL文件)，将模型按照一定方式分层行程“切片”，指导计算机逐层打印。(2)选择3D打印工艺，根据打印模型特征选择合适工艺，将三维数据模型导入3D打印设备，打印机通过读取“切片”信息，用液体、粉末、或者固体等材料将逐层打印，并将每层界面以各种方式融合起来形成三维实体。(3)模型后处理，去除支撑材料、抛光、涂色等获得理想模型。具体到制备油藏地质体模型，其具体工作流程如图1所示。
3D打印发展有诸多优势：如模型可以定制，模型设计复杂度的约束非常低；对于小批量模型可按需打印；无需额外的工具或模具；可以制造各种密度的模型；使用可回收材料的成为可能；物料浪费接近零等等。但是，3D打印技术仍然存在一些需要克服的挑战：打印技术所用材料比较局限；因打印精度和材料的限制需要对打印模型内外表面进行改造处理。具体的，3D打印后外表面比较粗糙需要进行改造，对于可视化模型需要增加透光度。如模型表面有“条纹”造成透明度无法满足实验要求。模型内表面需要根据需要地层要求改变润湿性条件或者增加内表面附着颗粒符合实际地质地层需要，如基于水溶性支撑材料打印的模型，因长时间浸泡在水溶液中(大约几天或更长时间)，导致表面润湿性发生变化，表现为亲水润湿。这与实际地层润湿性不一致，因此必须改变模型的润湿性。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种3D打印模型表面处理方法，该方法简单、可操作性强、成本低，以解决现有3D打印模型透光性差、表面润湿性与实际地层润湿性不一致的技术问题，以及满足石油、地质、水文等行业内微观可视模型的高透光度、内表面涂层接近地层环境的要求。
本发明的第二目的在于提供一种3D打印模型，该3D打印模型采用上述3D打印模型表面处理方法得到。
为了解决上述技术问题，特采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种3D打印模型表面处理方法，包括：
外表面处理：将3D打印模型外表面依次进行磨抛和光油处理；
内表面处理：将3D打印模型内表面依次进行清洗和镀层溶液处理；
所述3D打印模型包括至少一个内腔；
所述镀层溶液包括亲水涂层溶液、疏水涂层溶液、亲水涂层溶液和土壤颗粒的混合溶液或疏水涂层溶液和土壤颗粒的混合溶液。
作为进一步技术方案，所述3D打印模型的材料包括光敏树脂。
作为进一步技术方案，所述磨抛包括采用磨抛机打磨和抛光；
优选地，优选YMP-1单盘无级变速-金相试样磨抛机，先采用粗砂纸(300-500目)打磨，再采用细砂纸(1500-2500目)打磨，最后采用纤维绒布抛光。
作为进一步技术方案，所述光油处理包括喷涂光油；
优选地，所述光油包括自动喷漆光油、油基清漆和树脂清漆等。
作为进一步技术方案，所述清洗包括有机溶剂清洗、表面活性剂溶液清洗和水清洗中的至少一种；
优选地，所述清洗包括依次采用有机溶剂、表面活性剂溶液和水清洗。
作为进一步技术方案，所述有机溶剂包括乙醇、丙醇或丙酮中的至少一种；
作为进一步技术方案，所述有机溶剂清洗的时间为1-2min，优选为1.5min；
优选地，所述表面活性剂溶液清洗的时间为3-8min，优选为5min；
优选地，所述水清洗的时间为5-15min，优选为10min。
作为进一步技术方案，所述土壤颗粒的粒径为1-100μm；
优选地，所述镀层溶液处理的时间为3-8min，优选为5min。
作为进一步技术方案，所述镀层溶液处理后还包括抽真空处理；
优选地，所述抽真空处理的时间为12-24h。
第二方面，本发明提供了一种采用本发明3D打印模型表面处理方法得到的3D打印模型。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的3D打印模型表面处理方法简单、可操作性强、成本低，该方法包括内表面处理和外表面处理。本发明采用的3D打印模型至少有一个内腔，内腔表面即为内表面，处理方法为：外表面处理：首先将3D打印模型外表面进行磨抛，降低模型表面粗糙度，然后进行光油处理，在外表层形成致密的涂层，提高模型外表面的透明度；内表面处理：首先将3D打印模型内表面进行彻底清洗，除去模型内表面吸附的支撑树脂材料、清洗剂(如碱液)等物质，使得模型内表面清洁，然后进行镀层溶液处理，在内表面形成涂层，实现模型内表面润湿性的改造、或使得内表面镀有土壤颗粒，满足3D打印模型符合地下岩石表面的要求。
本发明提供的3D打印模型，采用本发明的3D打印模型表面处理方法得到，能够满足石油、地质、水文、微流控等行业内微观可视模型的高透光度、内表面涂层接近地质地层岩石表面的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为3D打印技术制备地质体模型的工作流程；
图2为3D打印模型磨抛前图；
图3为3D打印模型磨抛前表面显微图；
图4为本发明提供的3D打印平板模型磨抛后图；
图5为本发明提供的3D打印平板模型光油处理后图；
图6为不同打印材料润湿性测试；
图7为3D打印模型的润湿性原理图，其中(a)未涂层模型的油气水的润湿性；(b)涂层后模型的油水的润湿性；(c)涂层模型表面油-水的接触角为110°；
图8为本发明实施例2和实施例3提供的3D打印模型润湿性改性流程图；
图9为本发明实施例2提供的3D打印模型亲水涂层改性后，3D打印模型表面水-气接触角为32.5°；
图10为本发明实施例3提供的3D打印模型疏水涂层改性后，3D打印模型表面疏水涂层后水-气接触角为127.49°；
图11为本发明实施例4和实施例5提供的3D打印模型内表面镀层流程图；
图12为本发明实施例4提供的3D打印模型亲水涂层和土壤颗粒镀层后的表面镀层显微图，图中白色为亲水涂层改性的透明树脂，黑色为镀层的土壤颗粒；
图13为本发明实施例5提供的3D打印模型疏水涂层和土壤颗粒镀层后的表面镀层显微图，图中白色为疏水涂层改性的透明树脂，黑色为镀层的土壤颗粒。
具体实施方式
下面将结合实施方式和实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施方式和实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
制备地质模型的工作流程如图1所示，本发明旨在对地质模型的表面进行改进。
第一方面，本发明提供了一种3D打印模型表面处理方法，包括：
外表面处理：将3D打印模型外表面依次进行磨抛和光油处理；
内表面处理：将3D打印模型内表面依次进行清洗和镀层溶液处理；其中镀层溶液处理的方式可以为采用镀层溶液冲洗或者浸泡内表面。
所述3D打印模型包括至少一个内腔，内腔壁即为3D打印模型的内表面。
所述镀层溶液包括但不限于亲水涂层溶液、疏水涂层溶液、亲水涂层溶液和土壤颗粒(或粉末)的混合溶液或者疏水涂层溶液和土壤颗粒(或粉末)的混合溶液。具体地，SM-TM 101S透明疏水涂层溶液、SM-Q3200透明亲水涂层溶液可对模型内表面润湿性进行改性。或者，以亲水(或疏水)涂层溶液和土壤颗粒(颗粒粒径在1-100μm，若颗粒粒径过小，镀层溶液会覆盖颗粒；若颗粒粒径多大，镀层无法将颗粒有效固结)的混合溶液作为镀层溶液对模型内表面进行处理，在模型表面能够得到附着有土壤颗粒的亲水涂层，能够更加真实的模拟岩心、地下界面等地质背景。
本发明提供的3D打印模型表面处理方法简单、可操作性强、成本低，该方法包括内表面处理和外表面处理。外表面处理：首先将3D打印模型外表面进行磨抛，降低模型表面粗糙度，然后进行光油处理，在外表层形成致密的涂层，提高模型外表面的透明度；内表面处理：首先将3D打印模型内表面进行彻底清洗，除去模型内表面吸附的支撑树脂材料、清洗剂(如碱液)等物质，使得模型内表面清洁，然后进行镀层溶液处理，在内表面形成涂层，实现模型内表面润湿性的改造、或使得内表面镀有土壤颗粒(或粉末)，满足3D打印模型符合地下岩石表面的要求。
在一些优选的实施方式中，所述3D打印模型的材料包括但不限于光敏树脂，例如Vero Clear RGD810(Objet350 Connex3 3D打印机)、SOMOS10122(SPS 450 3D打印机)、VisiJet M3 Crystal(Projet 3510HD&HDPlus 3D打印机)等，或者本领域技术人员所熟知的能够用于3D打印的材料。
在一些优选的实施方式中，所述磨抛包括但不限于采用磨抛机打磨和抛光，优选YMP-1单盘无级变速-金相试样磨抛机，先采用粗砂纸(300-500目)砂纸打磨，再采用细砂纸(1500-2500目)砂纸打磨，最后采用纤维绒布抛光，能够使得模型外表面平整，降低表面粗糙度的方式。
在本发明中，由于3D打印模型外表面平整度低，可能存在条纹，首先可以使用目数小的砂纸对模型外表面进行打磨，使得模型外表面平整，提高打磨效率，然后再采用目数更高的砂纸打磨，降低模型外表面的粗糙度，最后进行抛光进一步降低模型外表面的粗糙度，磨抛步骤可以采用YMP-1单盘无级变速-金相试样磨抛机进行处理。
为了更加清楚的描述本发明方法对模型外表面的处理效果，以3D打印的平板为处理对象，磨抛前如图2和图3所示，经过磨抛操作后结果如图4所示，再经过光油处理后结果如图5所示。
在一些优选的实施方式中，所述光油处理包括喷涂光油。
光油是一种合成树脂，现通常是指表面透明清漆，有基料和助剂等做成，不加任何颜料，成膜后油光发亮，俗称叫清漆。在本发明中，光油处理即在模型外表面形成涂层，能够有效增强模型的透光性。
优选地，所述光油包括但不限于自动喷漆光油、油基清漆和树脂清漆或者本领域技术人员所熟知的其他光油。
发明人对基于不同光敏树脂材料(VeroWhitePlus、SOMOS 10122、VearClearRGD810)制备的物理模型进行润湿性测试，可以发现，模型表面润湿性均呈现油气接触角小于水气接触角的结果(如图6所示)，可见光敏树脂类材料属于亲油材料，其物理模型的润湿性符合某亲油油藏储层的特点。
但是基于水溶性支撑材料打印的模型，因长时间浸泡在水溶液中(大约几天或更长时间)，导致表面润湿性发生变化，如图7中的(a)所示，可以看到，最大的圆形轮廓为模型内腔表面，内腔表面与水接触面远远大于与油的接触面，因此，模型内腔表面表现为亲水润湿。这与实际地层润湿性不一致，因此必须改变模型的润湿性，可以选择透明的疏水涂层进行改性。模型改性后的油气水的润湿性如图7中的(b)所示，可以看到，改性后，与内腔表面紧密接触的为油。其中涂层模型表面油水接触角为110°(图7中的(c)所示)。即模型润湿性为：亲油>亲水。
在一些优选的实施方式中，所述清洗包括但不限于有机溶剂清洗、表面活性剂溶液清洗和水清洗中的至少一种，目的在于清洁模型内表面，为接下来的内表面改性做准备。其中，有机溶剂清洗用于去除模型腔内或者内表面处残留的支撑材料；表面活性剂溶液清洗用于去除模型内表面处的有机溶剂、碎屑等物质，本发明对于表面活性剂的种类不做具体限制，采用本领域技术人员所熟知的即可；水清洗为用于去除能够溶于水的物质，包括表面活性剂、有机试剂等，使内表面清洁。
优选地，所述清洗包括依次采用有机溶剂、表面活性剂溶液和水清洗。
在一些优选的实施方式中，所述有机溶剂包括但不限于乙醇、丙醇或丙酮中的至少一种，或者本领域技术人员所熟知的能够溶解3D打印支撑材料且对模型损害小的试剂。
优选地，所述有机溶剂清洗的时间为1-2min，例如可以为，但不限于1min、1.2min、1.4min、1.6min、1.8min或2min，优选为1.5min。由于有机溶剂在溶解支撑材料的同时，也会溶解模型基体材料，因此，时间不宜过长。
优选地，所述表面活性剂溶液清洗的时间为3-8min，例如可以为，但不限于3min、4min、5min、6min、7min或8min，优选为5min；
优选地，所述水清洗的时间为5-15min，例如可以为，但不限于5min、7min、9min、11min、13min或15min，优选为10min。
通过对清洗试剂及时间的进一步优化和调整，使得内表面洁净，为接下来的镀层处理做准备。
在一些优选的实施方式中，所述土壤颗粒的粒径为10-100μm，例如可以为，但不限于10μm、20μm、40μm、60μm、80μm或100μm。
优选地，所述镀层溶液处理的时间为3-8min，例如可以为，但不限于3min、4min、5min、6min、7min或8min，优选为5min。
通过对镀层处理各个参数的进一步优化和调整，使得在模型内表面形成涂层，改变模型内表面的润湿性，接近地层环境要求。
在一些优选的实施方式中，所述镀层溶液处理之后还包括盐溶液处理。盐溶液处理的方式可以为对模型内表面进行冲洗或者浸泡。在本发明中，通过盐溶液处理使得镀层表面具有抗矿化度的能力，以模拟实际的地层环境。对于盐溶液中盐的种类不做具体限制，例如可以为含有钠、钙、镁、铝或锰等金属的碳酸盐、重碳酸盐、氯化物、硫酸盐或硝酸盐。
优选地，所述盐溶液包括NaCl溶液。
优选地，所述盐溶液处理的时间为3-8min，例如可以为，但不限于3min、4min、5min、6min、7min或8min，优选为5min。
通过对盐溶液处理各个参数的进一步优化和调整，表面具有抗矿化度的能力，以检验模型内颗粒涂层抗矿化度的能力，以更好的模拟实际地质环境。
在一些优选的实施方式中，所述镀层溶液处理后，盐溶液处理前还包括第一次抽真空处理；经过抽真空后可将吸附在表面的气泡清除，同时多余的部分涂层溶液也可通过真空泵抽出。
优选地，所述盐溶液处理后还包括第二次抽真空处理；
优选地，所述第一次抽真空处理和第二次抽真空处理的时间各自独立的为12-24h，例如可以为，但不限于12h、14h、16h、18h、20h、22h或24h。
第二方面，本发明提供了一种采用本发明3D打印模型表面处理方法得到的3D打印模型。
本发明提供的3D打印模型，采用本发明的3D打印模型表面处理方法得到，能够满足石油、地质、水文等行业内微观可视模型的高透光度、内表面涂层接近地层环境的要求。
下面通过具体的实施例和对比例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
实施例1
一种3D打印模型外表面后处理方法，图2、3、4和5所示。
以光敏树脂Vero Clear RGD810(Objet350 Connex3 3D打印机)为原料制备得到透明的3D打印模型，对其进行外表面处理：
将3D打印模型清洗，选择YMP-1单盘无级变速-金相试样磨抛机，先采用400目粗砂纸打磨，再采用2000目细砂纸打磨，然后进行抛光处理，干燥后，对模型外表面喷涂自动喷漆B-1924-190光油，静置24h后，完成模型的外表面处理。
实施例2
一种3D打印模型表面润湿性改性方法，如图8和9所示，包括以下步骤：
以光敏树脂Vero Clear RGD810(Objet350 Connex3 3D打印机)为原料制备得到透明的含有1个内腔的3D打印模型，对其进行内表面处理：
(1)模型清洗后，利用循环泵将乙醇泵入到模型腔体中进行清洗，清洗时间为1.5min；
(2)利用循环泵将表面活性剂溶液泵入到模型腔体中进行清洗，清洗时间为5min；
(3)利用循环泵将蒸馏水泵入到模型腔体中进行清洗，清洗时间为5min；
(4)模型干燥后，使用注射泵将镀层溶液(SM-Q3200透明亲水涂层溶液)缓慢注入到模型腔体内，保证流体稳态注入，5min后，将多余镀层溶液倒出；
(5)密封模型接口，抽真空18h，将表层多余镀层溶液和气泡抽出，得到内表面附有亲水涂层的模型。
实施例3
一种3D打印模型表面润湿性改性方法，如图8和10所示，包括以下步骤：
以光敏树脂Vero Clear RGD810(Objet350 Connex3 3D打印机)为原料制备得到透明的含有1个内腔的3D打印模型，对其进行内表面和处理：
(1)模型清洗后，利用循环泵将乙醇泵入到模型腔体中进行清洗，清洗时间为1.5min；
(2)利用循环泵将表面活性剂溶液泵入到模型腔体中进行清洗，清洗时间为5min；
(3)利用循环泵将蒸馏水泵入到模型腔体中进行清洗，清洗时间为5min；
(4)模型干燥后，使用注射泵将镀层溶液(SM-TM 101S透明疏水涂层溶液)缓慢注入到模型腔体内，保证流体稳态注入，5min后，将多余镀层溶液倒出；
(5)密封模型接口，抽真空18h，将表层多余镀层溶液和气泡抽出，得到内表面附有疏水涂层的模型。
实施例4
一种3D打印模型内表面镀层土壤材料方法，如图11和图12所示，包括以下步骤：
以光敏树脂Vero Clear RGD810(Objet350 Connex3 3D打印机)为原料制备得到透明的含有1个内腔的3D打印模型，对其进行内表面处理：
(1)模型清洗后，利用循环泵将乙醇泵入到模型腔体中进行清洗，清洗时间为1.5min；
(2)利用循环泵将表面活性剂溶液泵入到模型腔体中进行清洗，清洗时间为5min；
(3)利用循环泵将蒸馏水泵入到模型腔体中进行清洗，清洗时间为5min；
(4)模型干燥后，使用注射泵将镀层溶液(SM-Q3200透明亲水涂层溶液粒径为1-100μm的土壤颗粒的混合溶液)缓慢注入到模型腔体内，保证流体稳态注入，5min后，将多余镀层溶液倒出；
(5)密封模型接口，抽真空18h，将表层多余镀层溶液和气泡抽出，得到镀有土壤颗粒的模型。
(6)模型干燥稳定后，使用注射泵将饱和盐溶液注入到模型孔道内，注入速度不宜过大，保证流体稳态注入。5min后，将多余饱和盐溶液倒出；
(7)密封模型接口，抽真空18h，将表层多余盐溶液和气泡抽出，得到镀有土壤颗粒较为稳定的模型。
实施例5
一种3D打印模型内表面镀层土壤材料方法，如图11和图13所示，包括以下步骤：
以光敏树脂Vero Clear RGD810(Objet350 Connex3 3D打印机)为原料制备得到透明的含有2个内腔的3D打印模型，对其进行内表面处理：
(1)模型清洗后，利用循环泵将丙酮/乙醇泵入到模型腔体中进行清洗，清洗时间为1min；
(2)利用循环泵将表面活性剂溶液泵入到模型腔体中进行清洗，清洗时间为3min；
(3)利用循环泵将蒸馏水泵入到模型腔体中进行清洗，清洗时间为3min；
(4)模型干燥后，使用注射泵将镀层溶液(SM-TM 101S透明疏水涂层溶液+粒径为1-100μm的土壤颗粒的混合溶液)缓慢注入到模型腔体内，保证流体稳态注入，3min后，将多余镀层溶液倒出；
(5)密封模型接口，抽真空12h，将表层多余镀层溶液和气泡抽出，得到镀有土壤颗粒的模型。
(6)模型干燥稳定后，使用注射泵将饱和盐溶液注入到模型孔道内，注入速度不宜过大，保证流体稳态注入。3min后，将多余饱和盐溶液倒出；
(7)密封模型接口，抽真空12h，将表层多余盐溶液和气泡抽出，得到镀有土壤颗粒较为稳定的模型。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种3D打印模型表面处理方法，其特征在于，包括：
外表面处理：将3D打印模型外表面依次进行磨抛和光油处理；
内表面处理：将3D打印模型内表面依次进行清洗和镀层溶液处理；
所述3D打印模型包括至少一个内腔；
所述镀层溶液包括亲水涂层溶液、疏水涂层溶液、亲水涂层溶液和土壤颗粒的混合溶液或疏水涂层溶液和土壤颗粒的混合溶液。
2.根据权利要求1所述的3D打印模型表面处理方法，其特征在于，所述3D打印模型的材料包括光敏树脂。
3.根据权利要求1所述的3D打印模型表面处理方法，其特征在于，所述磨抛包括采用磨抛机进行打磨和抛光。
4.根据权利要求1所述的3D打印模型表面处理方法，其特征在于，所述光油处理包括喷涂光油。
5.根据权利要求1所述的3D打印模型表面处理方法，其特征在于，所述清洗包括有机溶剂清洗、表面活性剂溶液清洗和水清洗中的至少一种；
优选地，所述清洗包括依次采用有机溶剂、表面活性剂溶液和水清洗。
6.根据权利要求5所述的3D打印模型表面处理方法，其特征在于，所述有机溶剂包括乙醇、丙醇或丙酮中的至少一种。
7.根据权利要求5所述的3D打印模型表面处理方法，其特征在于，所述有机溶剂清洗的时间为1-2min，优选为1.5min；
优选地，所述表面活性剂溶液清洗的时间为3-8min，优选为5min；
优选地，所述水清洗的时间为5-15min，优选为10min。
8.根据权利要求1所述的3D打印模型表面处理方法，其特征在于，所述土壤颗粒的粒径为1-100μm；
优选地，所述镀层溶液处理的时间为3-8min，优选为5min。
9.根据权利要求1所述的3D打印模型表面处理方法，其特征在于，所述镀层溶液处理后还包括抽真空处理；
优选地，所述抽真空处理的时间为12-24h。
10.采用权利要求1-9任一项所述的3D打印模型表面处理方法得到的3D打印模型。
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