CN112873826A - 一种高孔隙化结构熔融悬浮增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种高孔隙化结构熔融悬浮增材制造方法，先制备悬浮材料，将悬浮材料离心去除气泡后，装入透明恒温槽中；然后将悬浮材料加热至设定温度值；再将要打印的热塑性聚合物装入熔融喷头中，加热熔化后，按照规划的空间打印路径，在悬浮材料中打印出高孔隙化三维结构；打印完成后，冷却悬浮材料，提取出高孔隙化三维结构；最后清洗高孔隙化三维结构表面残留的悬浮材料后得到最终打印结构；本发明在打印高孔隙化三维结构时无需打印辅助支撑结构，其打印路径不再局限于逐层堆积的方式，可以进行空间打印，极大的拓展了熔融挤出成型方法的制造能力。

Description

一种高孔隙化结构熔融悬浮增材制造方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种高孔隙化结构熔融悬浮增材制造方法。
背景技术
熔融挤出成型是一种重要的增材制造方法，其工艺简单、成本低、打印材料广泛、可实现多材料打印，已广泛应用于医疗、教育、建筑模型、模具制造等领域。
现有熔融挤出成型技术使用熔融喷头将材料熔化后挤出到打印平台，并通过逐层堆积的方式制造三维结构。这种成型方式每一层都是在上一层的基础上堆积而成，上一层对当前层起到支撑和定位作用；随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当出现悬空部分时，上一层不能提供足够的支撑，就会受重力影响而产生变形或坍塌。因此在打印悬臂类结构时需要打印辅助的支撑结构，这些支撑结构不仅会影响打印效率、表面质量，而且难以完全去除。此外，对于增材制造由多种空间曲线单元构成的高孔隙化结构时，不仅很难添加支撑结构，而且去除支撑时也很难保证打印结构的完整性。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高孔隙化结构熔融悬浮增材制造方法，在打印高孔隙化三维结构时无需打印辅助支撑结构，其打印路径不再局限于逐层堆积的方式，可以进行空间打印，极大的拓展了熔融挤出成型方法的制造能力。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种高孔隙化结构熔融悬浮增材制造方法，包括以下步骤：
(1)制备悬浮材料，将悬浮材料离心去除气泡后，装入透明恒温槽中，悬浮材料的用量根据打印结构的大小确定，保证打印结构能够完全包封在其中；
(2)将装有悬浮材料的恒温槽加热至设定温度值，随后保持该温度，直到打印结束；
(3)将要打印的热塑性聚合物装入熔融喷头中，加热熔化后，通过熔融喷头将熔化后的热塑性聚合物挤出到悬浮材料中，熔融喷头在控制系统的控制下，按照规划的空间打印路径，打印出高孔隙化三维结构；
(4)打印完成后，冷却悬浮材料，等待其完全固化后，移除悬浮材料，提取出高孔隙化三维结构；
(5)清洗高孔隙化三维结构表面残留的悬浮材料后得到最终打印结构。
所述的步骤(1)中悬浮材料制备方法为：将纳米颗粒分散于油中，100～1000rpm搅拌1～3h至纳米颗粒分散均匀后，25℃静置3天，制成质量体积比为10％～50％的透明悬浮材料。
所述的纳米颗粒为纳米粘土、纳米二氧化硅、二纳米氧化钛中的一种或多种。
所述的油为植物油、动物油、矿物油、硅油中的一种或多种。
所述的步骤(1)中离心速度为100～3000rpm，离心时间为5～60min。
所述的步骤(2)中悬浮材料加热温度为50～400℃。
所述的步骤(3)中热塑性聚合物为丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯(ASA)、聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚L-丙交酯-己内酯(PLCL)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、环己二醇共聚聚酯(PETG)、聚醚酰亚胺(PEI)、尼龙中的一种或多种。
所述的步骤(5)中清洗方法为将高孔隙化三维结构浸泡于清洗剂中超声10～120min。
所述的清洗剂为甲醇、无水乙醇、丙酮、乙醚中的一种或多种。
与现有熔融挤出成型技术相比，本发明具有如下优点：
本发明通过使用具有剪切稀化及自愈合性能的悬浮材料，不仅允许熔融挤出材料在其中打印，还可以持续维持已打印结构的稳定性、完整性直到打印过程结束。
由于悬浮材料的使用，本发明具有前所未有的复杂结构制造能力，不仅可以从任意空间位置开始打印，还可以在任意方向上进行空间打印，高孔隙结构、复杂悬臂结构、三维网状结构等均可以制造。
此外，在打印过程中，无需打印任何额外的支撑结构，显著的提高了制造效率；本发明的打印路径不再局限于传统的逐层堆积方式，可以有效的避免台阶效应导致表面精度低的问题。
附图说明
图1为本发明的制造原理图。
图2为本发明实施例1打印的空间螺旋结构。
图3为本发明实施例1从悬浮材料提取并清洗后的空间螺旋结构。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进一步说明。
实施例1，一种高孔隙化结构熔融悬浮增材制造方法，包括以下步骤：
(1)制备悬浮材料，将纳米二氧化硅颗粒分散于植物油中，配置质量体积比为20％的悬浮材料，使用磁力搅拌器300rpm搅拌1h，25℃下静置3天，制成透明的悬浮材料；
将悬浮材料300rpm离心5min，去除气泡后，装入透明恒温槽中，悬浮材料的用量根据打印结构的大小确定，保证打印结构能够完全包封在其中；
(2)将装有悬浮材料的恒温槽加热至150℃，随后保持该温度，直到打印结束；
(3)将PLA装入熔融打印喷头中，加热熔化后，通过熔融喷头将熔化后的PLA挤出到悬浮材料中，熔融喷头在控制系统的控制下，按照规划的空间打印路径，在悬浮材料中打印出高孔隙化三维结构，如图2所示；
(4)打印完成后，冷却悬浮材料，等待其完全固化后，移除悬浮材料，提取出高孔隙化三维结构；
(5)将提取出的高孔隙化三维结构浸泡于无水乙醇中，25℃下超声120min，得到最终打印结构，如图3所示。
本实施例的有益效果为：利用熔融悬浮增材制造方法，实现了PLA材料的空间打印，与传统的PLA熔融挤出打印方法相比，制造能力、制造效率得到极大的改善，高孔隙结构、空间曲线结构、复杂悬臂结构等均可被悬浮打印。此外，PLA材料可以降解，因此可以利用该技术可以解决可降解三维结构的构建问题。
实施例2，一种高孔隙化结构熔融悬浮增材制造方法，包括以下步骤：
(1)制备悬浮材料，将二氧化钛纳米颗粒分散于动物油中，配置质量体积比为50％的悬浮材料，使用磁力搅拌器300rpm搅拌1h，25℃下静置3天，制成透明的悬浮材料；
将悬浮材料1000rpm离心30min，去除气泡后，装入透明恒温槽中，悬浮材料的用量根据打印结构的大小确定，保证打印结构能够完全包封在其中；
(2)将装有悬浮材料的恒温槽加热至280℃，随后保持该温度，直到打印结束；
(3)将PEEK装入熔融打印喷头中，加热熔化后，通过熔融喷头将熔化后的PEEK挤出到悬浮材料中，熔融喷头在控制系统的控制下，按照规划的空间打印路径，在悬浮材料中打印出高孔隙化三维结构；
(4)打印完成后，冷却悬浮材料，等待其完全固化后，移除悬浮材料，提取出高孔隙化三维结构；
(5)将提取出的高孔隙化三维结构浸泡于丙酮中，25℃下超声80min，得到最终打印结构。
本实施例的有益效果为：利用熔融悬浮增材制造方法，实现了PEEK材料的空间打印，这种熔融悬浮打印方法可以扩展到其他空间结构的打印中，与传统的PEEK熔融挤出打印方法相比，制造能力、制造效率得到极大的改善，高孔隙结构、空间曲线结构、复杂悬臂结构等均可被悬浮打印。此外，由于PEEK在航空、医疗等领域广泛应用，因此，该技术可以解决这些领域中PEEK复杂三维结构的构建问题。
实施例3，一种高孔隙化结构熔融悬浮增材制造方法，包括以下步骤：
(1)制备悬浮材料，将纳米粘土颗粒分散于矿物油中，配置质量体积比为10％的悬浮材料，使用磁力搅拌器300rpm搅拌1h，25℃下静置3天，制成透明的悬浮材料；
将悬浮材料3000rpm离心5min，去除气泡后，装入透明恒温槽中，悬浮材料的用量根据打印结构的大小确定，保证打印结构能够完全包封在其中；
(2)将装有悬浮材料的恒温槽加热至150℃，随后保持该温度，直到打印结束；
(3)将ABS装入熔融打印喷头中，加热熔化后，通过熔融喷头将熔化后的ABS挤出到悬浮材料中，熔融喷头在控制系统的控制下，按照规划的空间打印路径，在悬浮材料中打印出高孔隙化三维结构；
(4)打印完成后，冷却悬浮材料，等待其完全固化后，移除悬浮材料，提取出高孔隙化三维结构；
(5)将提取出的高孔隙化三维结构浸泡于75％甲醇中，25℃下超声120min，得到最终打印结构。
本实施例的有益效果为：利用熔融悬浮打印方法，实现了ABS材料的空间打印，这种不需要添加支撑结构悬浮打印方法可以很容易的扩展到更复杂的空间结构打印中，与传统的ABS熔融挤出打印方法相比，制造能力、制造效率得到极大的改善，任意空间曲线结构，复杂悬臂结构等均可被悬浮打印。此外，由于ABS在汽车、电器等领域广泛应用，因此，该技术可以解决这些领域中ABS复杂三维结构的构建问题。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高孔隙化结构熔融悬浮增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备悬浮材料，将悬浮材料离心去除气泡后，装入透明恒温槽中，悬浮材料的用量根据打印结构的大小确定，保证打印结构能够完全包封在其中；
(2)将装有悬浮材料的恒温槽加热至设定温度值，随后保持该温度，直到打印结束；
(3)将要打印的热塑性聚合物装入熔融喷头中，加热熔化后，通过熔融喷头将熔化后的热塑性聚合物挤出到悬浮材料中，熔融喷头在控制系统的控制下，按照规划的空间打印路径，打印出高孔隙化三维结构；
(4)打印完成后，冷却悬浮材料，等待其完全固化后，移除悬浮材料，提取出高孔隙化三维结构；
(5)清洗高孔隙化三维结构表面残留的悬浮材料后得到最终打印结构。
2.根据权利要求1所述的一种高孔隙化结构熔融悬浮增材制造方法，其特征在于，所述的步骤(1)中悬浮材料制备方法为：将纳米颗粒分散于油中，100～1000rpm搅拌1～3h至纳米颗粒分散均匀后，25℃静置3天，制成质量体积比为10％～50％的透明悬浮材料。
3.根据权利要求3所述的一种高孔隙化结构熔融悬浮增材制造方法，其特征在于，所述的纳米颗粒为纳米粘土、纳米二氧化硅、二纳米氧化钛中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的一种高孔隙化结构熔融悬浮增材制造方法，其特征在于，所述的油为植物油、动物油、矿物油、硅油中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种高孔隙化结构熔融悬浮增材制造方法，其特征在于，所述的步骤(1)中离心速度为100～3000rpm，离心时间为5～60min。
6.根据权利要求1所述的一种高孔隙化结构熔融悬浮增材制造方法，其特征在于，所述的步骤(2)中悬浮材料加热温度为50～400℃。
7.根据权利要求1所述的一种高孔隙化结构熔融悬浮增材制造方法，其特征在于，所述的步骤(3)中热塑性聚合物为丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯(ASA)、聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚L-丙交酯-己内酯(PLCL)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、环己二醇共聚聚酯(PETG)、聚醚酰亚胺(PEI)、尼龙中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的一种高孔隙化结构熔融悬浮增材制造方法，其特征在于，所述的步骤(5)中清洗方法为将三维结构浸泡于清洗剂中超声10～120min。
9.根据权利要求8所述的一种高孔隙化结构熔融悬浮增材制造方法，其特征在于，所述的清洗剂为甲醇、无水乙醇、丙酮、乙醚中的一种或多种。
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