CN112895439A - 双组份喷墨3d打印方法及其打印原料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了双组份喷墨3D打印方法及其打印原料，包括用于铺料系统铺平的铺料和用于喷墨头喷射的喷料；所述铺料为浆料，所述喷料为第一组份粘结剂。铺料系统工作，铺设第一层铺料；喷墨系统工作，向第一层铺料的第一层图形位置处喷射第一粘结剂；在第一打印层内：第一粘结剂和第二粘结剂发生聚合反应；本发明公开的的双组份喷墨3D打印方法及其打印原料，具有更高的打印精度，素胚的体密度高，铺料系统可高精度铺平，素胚表面更加光滑的优点。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其是双组份喷墨3D打印方法及其打印原料。
背景技术
1960年，喷墨打印技术的思路已经被提出，1976年IBM采用瑞典路德工业技术学院教授Hertz的连续式喷墨技术，推出了世界上首款商业化喷墨打印机IBM4640。西门子的三位技术先驱Zoltan、Kyser和Sear研发成功压电式墨滴控制技术，1980年推出量产的打印机Seimens Pt-80，成为世界上第一款具有商业价值的喷墨打印机。这项技术后来成为EPSON技术基础。
经过几十年的快速发展，喷墨技术已经被广泛应用于多个领域，包括印刷、印染，以及3D打印等。喷墨技术应用于3D打印则主要包括两个技术分支，材料喷射(MaterialJetting，MJ)和粘结剂喷射(Binder Jetting，BJ)。前者主要应用于树脂材料的直接打印，以及纳米金属粉末等可溶于液态溶剂，且溶剂可通过光、热等固化的场景。后者因为喷射的是粘结剂，一般不包含固体颗粒，所以适应的材料体系、应用场景更为广泛。
1990s年代，MIT采用连续喷墨方式，以硅溶胶为粘结剂，将氧化铝粉末逐层粘结固化，从而获得了总共50层、每层厚度为0.005in的素坯，从而获得了烧结后致密度达到99.2％的陶瓷构件。相对于材料直接喷射成型，BJ工艺为喷出粘结剂至粉末床上而获得素坯。所以整体而言，素坯中大部分材料来自于粉末床，只有少部分需要从喷头喷出。通常，粘结剂液滴与粉体形成球形混合体，并提供与前一打印层的粘结力。一般打印头都具有喷孔阵列，也可以多个打印头拼接，所以BJ技术可实现快速沉积，相对成本较低。
但是，现有BJ工艺主要存在的技术问题为：
铺料基于粉末床方法，目前难以实现高的堆积密度，导致打印素坯的体密度非常有限，从而使得最终产品的体密度难以提高。
铺料基于粉末床方法，难以实现纳米级粉体的铺平，使得素坯的表面粗糙度较差，导致最终产品的表面粗糙度也较差，难以实现高精度打印。
发明内容
本发明的目的是提供双组份喷墨3D打印方法及其打印原料，解决现有3D打印方法中堆积密度低、素坯的体密度非常有限、素坯的表面粗糙度较差的技术问题。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
用于双组份喷墨3D打印的打印原料，包括用于铺料系统铺平的铺料和用于喷墨头喷射的喷料；所述铺料为浆料，所述喷料为第一组份粘结剂。
其中，所述浆料由粉体和第二组份粘结剂均匀混合而成。
其中，所述粉体为陶瓷粉体、金属粉体和高分子材料粉体中的一种或几种。
其中，所述第一组份粘结剂为：光引发剂1173、光引发剂TPO、光引发剂819、光引发剂184中的一种或几种；
所述第二组份粘结剂为：三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、1、6-己二醇二丙烯酸酯、丙烯酸异冰片酯、甲基丙烯酸-2-羟乙酯中的一种或几种；
所述第一组份粘结剂与所述第二组份粘结剂可进行聚合反应。
其中，所述粉体为纳米级粉体。
本发明还公开了双组份喷墨3D打印方法，使用上述的打印原料进行打印，包括如下步骤：
S1：铺料系统工作，铺设第一层铺料；
S2：喷墨系统工作，向第一层铺料的第一层图形位置处喷射第一粘结剂；
S3：在第一打印层内：第一粘结剂和第二粘结剂发生聚合反应；
所述第一组份粘结剂为：光引发剂1173、光引发剂TPO、光引发剂819、光引发剂184中的一种或几种；
所述第二组份粘结剂为：三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、1、6-己二醇二丙烯酸酯、丙烯酸异冰片酯、甲基丙烯酸-2-羟乙酯中的一种或几种。
其中，所述第一组份粘结剂为；光引发剂1173；
所述第二组份粘结剂为：三羟甲基丙烷三丙烯酸酯。
其中，所述步骤S1之前还包括如下步骤：
S10：对3D模型切片获得若干2D图形。
其中，还包括如下步骤：
S4：重复S1-S3步骤，直至将所有2D图形打印成形，获得3D素胚。
本发明公开的双组份喷墨3D打印方法及其打印原料，具有更高的打印精度，素胚的体密度高，铺料系统可高精度铺平，素胚表面更加光滑的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
根据图1所示，说明本发明的用于双组份喷墨3D打印的打印原料，包括用于铺料系统铺平的铺料和用于喷墨头喷射的喷料；所述铺料为浆料，所述喷料为第一组份粘结剂。
所述浆料由粉体和第二组份粘结剂均匀混合而成。
所述粉体为陶瓷粉体、金属粉体和高分子材料粉体中的一种或几种。所述粉体为纳米级粉体。
所述第一组份粘结剂为：光引发剂1173，化学名称为2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮，简称HMPP、光引发剂TPO、光引发剂819、光引发剂184中的一种或几种；
所述第二组份粘结剂为：三羟甲基丙烷三丙烯酸酯TMPTA、1、6-己二醇二丙烯酸酯HDDA、丙烯酸异冰片酯IBOA、甲基丙烯酸-2-羟乙酯HEMA中的一种或几种。
所述第一组份粘结剂与所述第二组份粘结剂可进行聚合反应。
本发明还公开了一种双组份喷墨3D打印方法：
一般第一组份粘结剂相对于第二组份粘结剂的体积含量较低，第一组份粘结剂和第二组份粘结剂形成双组份，通过两者的喷墨打印准确混合，实现高精度打印。
本发明采用合理的方法，提高素坯的体密度。为了克服现有Binder Jetting工艺中粉体材料颗粒大、堆积密度低的缺陷。本发明采用高固含量的浆料，即将纳米级固态的粉体与第二组份粘结剂混合，经过充分的搅拌、分散、混合，制备成具有高固含量的浆料。与十微米级大颗粒堆积密度相比这种状态的材料具备更高的密度。一般而言，固体颗粒直径越小，粉体的堆积密度越高，两者成正相关。本发明所采用纳米级粉体，克服了现有BinderJetting大粒径粉体堆积密度低的缺陷。
采用双组份粘结剂，提高3D打印的精度。当前高精度喷墨头的分辨率可达1200dpi甚至更高，为充分利用这一有利条件，本发明提出通过喷墨头，将呈液态材料的第一组份粘结剂喷射到铺平的铺料的材料表面，优选的第一组份粘结剂与第二组份粘结剂需要具有良好的浸润性、渗透性，使得第一组份粘结剂可快速的在铺料的材料内一定范围内扩散，形成材料混合体。铺料体系可进行聚合反应，或者可在光、热条件作用下发生聚合反应生成固体，将粉体固定生成素坯，实现打印成型。不同于现有Binder Jetting打印粉末床工艺，本发明采用了纳米级的粉体而不是十微米级的粉体，所以成型精度不再受限于粉体颗粒的大小，可实现更高的成型精度，1200dpi对应21μm。本发明采用双组份粘结剂材料，克服了现有Binder Jetting工艺中精度受限于粉体颗粒大小的缺陷。
通过粉体和第二组份粘结剂制备的浆料，因具有剪切稀化特性，所以可通过铺料系统高精度铺平，同时呈现膏状所以具有良好的形状保持能力。非常有利于高精度3D打印成型。一般而言，当固态粉体颗粒直径越小时，比如达到纳米级时，由于静电、粉体表面能增大等原因，导致粉体状态越难控制，难以实现高精度铺平。而本发明采用浆料实现对纳米级粉体的控制，克服了现有Binder Jetting中粉末床直接铺固体粉料只能处理十微米级粉体的不足。
采用双组份粘结剂，可提高系统的精度和速度。本发明采用双组份粘结剂，而第二组份粘结剂预先与粉体充分混合，仅有体积占比非常少的第一组份粘结剂需要从喷墨头喷出，而浆料可通过铺料系统快速铺平。所以相对于现有Binder Jetting方法，在打印相同体积素坯的情况下，本发明的打印速度可提高一到两个量级。同时，因为第一组份粘结剂的体积占比非常小，所以喷墨头可以以最小液滴状态工作，即喷墨头以最高精度状态工作，从而可以提高系统的打印精度。而现有Binder Jetting方法中，为了折中速度和精度，较少甚至无法采用喷墨头的实现最高精度工作。
具体的使用上述的打印原料进行打印，所述第一组份粘结剂为：光引发剂1173、光引发剂TPO、光引发剂819、光引发剂184中的一种或几种；
在一种可选的实施例中，所述第二组份粘结剂为：三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、1、6-己二醇二丙烯酸酯、丙烯酸异冰片酯、甲基丙烯酸-2-羟乙酯中的一种或几种。
优选的，所述第一组份粘结剂为；光引发剂1173；所述第二组份粘结剂为：三羟甲基丙烷三丙烯酸酯。
使用时，光引发剂TPO使用丙酮为溶剂。光引发剂819使用丙酮为溶剂，光引发剂184使用乙醇为溶剂。
具体的，包括如下步骤：
S101：对设备进行初始化，打印平台到零位，供料系统加料，铺料系统就位，喷头系统就位。
S102：读取打印件的3D CAD模型；
S103：进行模型处理，包括摆放、布局以及阵列等方式。
S104：设置打印参数等。
S10：对3D模型切片获得若干2D图形，包括第一层至第N层；
S1：铺料系统工作，铺设第一层铺料；
S2：喷墨系统工作，向第一层铺料的第一层图形位置处喷射第一粘结剂；
S3：在第一打印层内：第一粘结剂和第二粘结剂发生聚合反应；
S4：重复S1-S3步骤，将第二层至第N层打印，将所有2D图形打印成形，清理打印平台上未固化的料，获得3D素胚。
打印精度对比
现有Binder Jetting方法中，为了满足粉体材料铺平等要求，一般采用30μm-50μm，如金属粉体；或者100μm以上粉体颗粒，如石英砂。这种相对粗大粒径的颗粒粉体有利于材料铺平，但严重限制了打印素坯的精度和表面粗糙度，所以现有Binder Jetting打印制品的精度都不高，一般在亚mm级，表面粗糙。
本发明采用双组份粘结剂，因为粉体选为纳米级粉体，使得铺料可以微米级精度铺平，这一步首先大大提高了铺层厚度精度，即Z向精度。其次，由于纳米粉体的采用，使得粉体粒径不再成为打印精度的障碍，横向精度取决于喷墨精度。以目前市场可获取的1200dpi喷头精度推算，可使打印的横向分辨率提高到约20μm，相比于现有Binder Jetting方法，横向分辨率提高一个量级以上。所以本发明相比于现有Binder Jetting方法，其成型精度提高至少一个数量级。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.用于双组份喷墨3D打印的打印原料，包括用于铺料系统铺平的铺料和用于喷墨头喷射的喷料；其特征在于：所述铺料为浆料，所述喷料为第一组份粘结剂。
2.根据权利要求1所述的用于双组份喷墨3D打印的打印原料，其特征在于：所述浆料由粉体和第二组份粘结剂均匀混合而成。
3.根据权利要求1所述的用于双组份喷墨3D打印的打印原料，其特征在于：所述粉体为陶瓷粉体、金属粉体和高分子材料粉体中的一种或几种。
4.根据权利要求2所述的用于双组份喷墨3D打印的打印原料，其特征在于：所述第一组份粘结剂为：光引发剂1173、光引发剂TPO、光引发剂819、光引发剂184中的一种或几种；
所述第二组份粘结剂为：三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、1、6-己二醇二丙烯酸酯、丙烯酸异冰片酯、甲基丙烯酸-2-羟乙酯中的一种或几种；
所述第一组份粘结剂与所述第二组份粘结剂可进行聚合反应。
5.根据权利要求1所述的用于双组份喷墨3D打印的打印原料，其特征在于：所述粉体为纳米级粉体。
6.双组份喷墨3D打印方法，其特征在于，使用权利要求1-5任一项所述的打印原料进行打印，包括如下步骤：
S1：铺料系统工作，铺设第一层铺料；
S2：喷墨系统工作，向第一层铺料的第一层图形位置处喷射第一粘结剂；
S3：在第一打印层内：第一粘结剂和第二粘结剂发生聚合反应。
7.根据权利要求6所述的双组份喷墨3D打印方法，其特征在于：
所述第一组份粘结剂为：光引发剂1173、光引发剂TPO、光引发剂819、光引发剂184中的一种或几种；
所述第二组份粘结剂为：三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、1、6-己二醇二丙烯酸酯、丙烯酸异冰片酯、甲基丙烯酸-2-羟乙酯中的一种或几种。
8.根据权利要求6所述的双组份喷墨3D打印方法，其特征在于：
所述第一组份粘结剂为；光引发剂1173；
所述第二组份粘结剂为：三羟甲基丙烷三丙烯酸酯。
9.根据权利要求6所述的双组份喷墨3D打印方法，其特征在于：所述步骤S1之前还包括如下步骤：
S10：对3D模型切片获得若干2D图形。
10.根据权利要求9所述的双组份喷墨3D打印方法，其特征在于：还包括如下步骤：
S4：重复S1-S3步骤，直至将所有2D图形打印成形，获得3D素胚。
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