CN112940485A - 一种新型增材打印材料及其在陶瓷3d打印设备中的应用 - Google Patents

一种新型增材打印材料及其在陶瓷3d打印设备中的应用 Download PDF

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陆东东
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Abstract

本发明属于3D增材打印材料技术领域，更具体地涉及一种新型增材打印材料及其在陶瓷3D打印设备中的应用。采用本发明可以打印出厚度高于10mm的线条效果的3D模型，并且该3D模型具有所述新型增材打印材料自身所具备的优良自然流平效果，没有拉丝或粗糙的边缘，而这些都是现在同样的材料用丝网印刷、转印技术等常规印刷工艺无法实现的。拓展了传统陶瓷3D打印机的应用模式，创新性结合黏性物质推进器边剪切搅拌边推进，避免了打印材料黏性太大堵塞打印针头喷嘴，也使打印材料更均一顺畅地出料。本发明提供的应用可以在相同或不同的界面之间发挥很好的连接作用，为新型增材打印材料在纺织品、服装、鞋材、箱包、家具等领域提供了更广阔的应用途径。

Description

一种新型增材打印材料及其在陶瓷3D打印设备中的应用
技术领域
本发明属于3D增材打印材料技术领域，更具体地涉及一种新型增材打印材料及其在陶瓷3D打印设备中的应用。
背景技术
增材制造(AdditiveManufacturing，AM)俗称3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术，以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品。相对于传统的对原材料去除－切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，实现从无到有的物品制造过程。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。
现有的常用树脂类打印油墨在3D增材打印过程中常通过UV光固化使其成型，并且油墨在3D打印设备的输料管中输送的过程中必须严格控制油墨的粘度，使其粘度足够低以尽量减少油墨中的气泡生成量，因为油墨中的气泡会影响3D打印产品的成型性、强度和表面特性等。因此，将树脂类3D增材在纺织技术领域拓展应用虽然有研发和生产的需求，但却一直困于无法解决上述几个问题而止步不前。比如，在鞋材的开发上，结合3D增材复杂构件以及高附着力设计更具个性和时尚的造型；在服装面料上引用局部3D增材连接的拼接设计等等都因上述瓶颈问题无法实现突破。
在如下专利文献中还可以发现更多与上述技术方案相关的信息。
专利文献一公开了一种水解性树脂组成物，造型用支承材料以及造型物，该水解性树脂组成物含有聚乙烯醇树脂和吸水性树脂，聚乙烯醇树脂的熔点与通过加热使其减少10％质量时的温度之差为100℃以上，其旨在提高造型用支承材料的容易除去性，因此，该水解性树脂组成物所形成的造型物在对纺织品的附着力方面表现欠佳。
专利文献二公开了用于三维物品形成的粉末材料、硬化液体和三维物品形成套件，以及三维物品的形成方法和形成装置，其中，该三维物品形成方法，其包含通过至少重复以下步骤来形成三维物品：使用用于三维物品形成的粉末材料形成粉末材料层，所述粉末材料包含涂有有机材料的基础材料；和通过将硬化液体传递到在粉末材料层的形成中形成的所述粉末材料层来使所述粉末材料层的预定区域硬化(例如激光烧结)，其中所述硬化液体包含与所述有机材料可交联的交联剂。但是其旨在提高复杂立体的三维物品形状稳定性和精度，对于形成的复杂立体的三维物品能否在纺织领域及光滑表面形成强力附着，并且在不同的基体表面形成高起厚的三维立体效果和连接效果，完全没有提及。
因此，为了拓展3D打印技术在纺织、造型技术领域的应用，在两个或多个不同基体表面的连接和造型上开发能同时起作用的3D高起厚效果的增材及其制造方法非常有必要。
专利文献一：CN105400108A水解性树脂组成物，造型用支承材料，以及造型物；
专利文献二：CN105764672A用于三维物品形成的粉末材料、硬化液体和三维物品形成套件，以及三维物品的形成方法和形成装置。
发明内容
鉴于背景技术存在的上述技术问题，需要提供一种新型增材打印材料及其在陶瓷3D打印设备中的应用，所述新型增材打印材料与现有的3D打印材料不同，具有更好的成型性、流平性、均匀性和对于不同面料的附着力，因此，借由常规的陶瓷3D打印设备可以制造出更具有立体效果、高起厚的兼具造型和连接功能的物品，在纺织品、服装、鞋材、箱包、家具等领域都可望得到更广阔的应用推广。
为实现上述目的，在本发明的第一方面，发明人提供了一种新型增材打印材料，按重量百分比计，包含：
脂肪族聚氨酯60-85％；
水性消泡剂0.3-1.2％；
润湿剂0.2-0.9％；
流平剂0.3-0.9％；
分散剂1.3-5.2％；
颜料5.0-8.0％；和
水性固化剂4.0-6.0％。
根据本发明的新型增材打印材料，在3D打印过程中基本不用加热，也不用采用UV固化使其成型，而采用陶瓷3D打印设备将其挤出喷嘴浆料层铸成型，凭借本发明所述新型增材打印材料优良的成型性、流平性形成厚度高于普通3D打印油墨的厚度。
优选地，所述新型增材打印材料按重量百分比计，包含：
脂肪族聚氨酯83.1％；
水性消泡剂0.8％；
润湿剂0.6％；
流平剂0.5％；
分散剂3％；
颜料7％；和
水性固化剂5％。
在本发明的第二方面，发明人提供了一种新型增材打印材料在陶瓷3D打印设备中的应用，采用陶瓷3D打印设备，包括以下步骤：
准备3D打印的基底；
装料，将适量本发明第一方面所述的新型增材打印材料装入所述陶瓷3D打印设备的油墨料筒；
将预设的3D打印立体图案进行切片，发送；
设置3D打印工作参数，启动3D打印，所述基底为平整或有网孔的纺织面料、光滑的金属、玻璃和木板中的一种或一种以上。
传统陶瓷3D打印的工艺包括喷嘴挤压成型，立体光刻成型(面曝光和激光)，粘合剂喷射成型，选择性激光烧结或熔融成型，浆料层铸成型(slurry-layer casting)等。喷嘴挤压成型陶瓷3D打印技术原理与塑料3D打印的熔融沉积成型技术(FDM)类似。主要采用混有陶瓷粉末的喷丝(filament)作为原材料，使用100摄氏度以上的温度将喷丝中的高分子材料融化后挤出喷嘴，挤出后的陶瓷高分子复合材料因为温差而凝固。
除此之外，也有部分工艺采用高粘度的陶瓷浆料作为原材料，直接通过喷嘴挤出后在空气中干燥固化。这种陶瓷浆料的主要成分是陶瓷粉末和粘合剂，其中粘合剂在成型过程中起到粘合陶瓷粉末的作用。无论是陶瓷喷丝还是陶瓷浆料作为原材料，这种工艺得到的三维模型都需要进一步进行热处理，即脱脂和烧结。脱脂和烧结也是传统陶瓷加工工艺中使用的致密化陶瓷产品的手段。目前来看，面向陶瓷的喷嘴挤压成型工艺受限于相对粗糙的加工精度，还主要集中于实验室研究，成熟的基于该工艺的3D打印机还未出现。
本发明的第二方面，结合了传统陶瓷3D打印机的工作原理和本发明第一方面所述的新型增材打印材料的特点，不需要对所述新型增材打印材料进行热处理就可以使之在黏度较高的情况下完成预设图案和造型的3D打印。将本发明第一方面所述的新型增材打印材料装入传统陶瓷3D打印设备的油墨料筒中进行3D打印。首先通过具有绘制3D立体图形功能的软件绘制设计预期的3D打印立体图案，并将其存储为.stl等3D打印机可识别可切片的文件格式，接着通过计算机内置的切片软件，将已设计好的3D打印立体图案切片成3D打印机可识别的源代码gcode文件。然后将所述源代码gcode文件传输到陶瓷3D打印机，设置3D打印工作参数，选取切片后需要3D打印的文件启动3D打印。
根据本发明优选的方案，为了使所述新型增材打印材料出墨更顺畅，对传统的陶瓷3D打印设备做了适当改进，在油墨料筒的出料口后部连通设置黏性流体均匀推进器，例如包括但不限于螺杆挤出机，可使所述新型增材打印材料被剪切搅拌均匀的同时向喷嘴推进。优选地，所述陶瓷3D打印设备的油墨料筒出料口后连接有黏性流体均匀推进器。
3D打印工作参数的设置与所采用的设备、打印材料的性能及所要获得的目标产物特性密切相关。优选地，所述设置3D打印工作参数包括设置所述基底和打印针头喷嘴的距离、压缩空气压力、黏性流体均匀推进器推进倍率、回抽长度和回抽速率、打印针头喷嘴大小、打印线宽、打印针头喷嘴温度，打印速度。
精确的3D打印增材油墨挤出量是获得好的打印质量的重要因素，适当的压缩空气压力和推进倍率(挤出倍率)可以将油墨挤出量控制在最佳范围，既不会因挤出量太少出现缝隙也不会因挤出量太多向上溢出导致不平整。优选地，所述压缩空气压力为0.01-0.1mPa，所述黏性流体均匀推进器推进倍率为0.5倍。
一般而言，小尺寸的打印针头喷嘴适合细度高的3D模型，大尺寸的打印针头喷嘴适合强度高的3D模型。打印线宽的选择视要打印的3D模型的弯曲性要求和厚度而定。优选地，所述打印针头喷嘴大小为0.3-2mm，优选为1.2mm，所述打印线宽为0.1-2.2mm，优选0.3-0.8mm。
本发明中不需要对打印针头喷嘴事先加热，在正常的室温范围都可以操作，优选地，所述打印针头喷嘴温度为15-35℃，更优选在23-27℃；。
优选地，所述打印速度为35-40mm/s。
优选地，为了避免3D打印增材出现拉丝现象，需要对打印机设置回抽，所述回抽长度为10mm，所述回抽速率为100mm/S。
区别于现有技术，上述技术方案至少具有以下有益效果：
首先，采用本发明提供的新型增材打印材料与传统陶瓷3D打印机改良设备结合，可以打印出厚度高于10mm的线条效果的3D模型，并且该3D模型具有所述新型增材打印材料自身所具备的优良自然流平效果，没有拉丝或粗糙的边缘，而这些都是现在同样的材料用丝网印刷、转印技术等常规印刷工艺无法实现的。其次，本发明拓展了传统陶瓷3D打印机的应用模式，创新性地将黏性物质推进器结合进来，边剪切搅拌边推进，避免了打印材料黏性太大堵塞打印针头喷嘴，也使打印材料更均一顺畅地出料。第三，本发明提供的新型增材打印材料以本发明提供的方法进行3D打印得到的材料可以在相同或不同的界面之间发挥很好的连接作用，为本发明新型增材打印材料在纺织品、服装、鞋材、箱包、家具等领域更广阔的应用推广提供了很好的途径。
附图说明
图1为具体实施方式所述一种新型增材打印材料及其3D线条类模型应用；
图2为具体实施方式所述一种新型增材打印材料及其自然流平类模型应用；
图3为具体实施方式所述一种新型增材打印材料及其特殊设计感鞋面模型应用；
图4为具体实施方式所述一种新型增材打印材料及另一种3D线条类模型应用；
图5为具体实施方式所述一种新型增材打印材料及另一种3D线条类模型应用。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。
本发明中采用的脂肪族聚氨酯为来自万华化学集团股份有限公司的脂肪族聚氨酯分散体ADWEL 1633D，水性消泡剂为来自德亿有限公司的DF-1412，润湿剂为来自凯茵化工公司的SP-832，流平剂为毕克公司BYK-333，分散剂为济南乾来环保技术有限公司的5000，颜料分别来自宇虹颜料公司和霞港颜料公司的254和110，水性固化剂来自万华化学集团股份有限公司的AQOLIN-268。
实施例1
一种新型增材打印材料，按重量百分比计，包含：脂肪族聚氨酯84.4％；水性消泡剂0.8％；润湿剂0.6％；流平剂0.5％；分散剂2.8％；颜料5.9％；和水性固化剂5％，所述新型增材打印材料经测试，黏度值为98000cps。
以PET平整基布作为3D打印的基底，将适量本实施例提供的新型增材打印材料装入所述陶瓷3D打印设备的油墨料筒，在该油墨料筒的出料口后加设一个适配口径的螺杆挤出机。设计待3D打印立体图案模型为音符
Figure BDA0002918229300000071
的线条模型，将该设计模型文件进行切片，发送至3D打印控制主机。设置3D打印工作参数，具体地，设置所述打印针头喷嘴大小为0.8mm，打印线宽0.5mm，所述基底和打印针头喷嘴的距离为12mm，压缩空气压力为0.05mPa，黏性流体均匀推进器(螺杆挤出机)推进倍率(挤出倍率)为0.5倍，回抽长度为10mm，回抽速率为100mm/S，打印针头喷嘴温度25℃，打印速度为40mm/S。启动3D打印，打印结束，得到如图1所示的3D线条类打印模型，经测试，该模型厚度厚达10mm，边缘光滑无毛边或拉丝，并且与PET基布的附着力达到6.6kg/cm，具备很好的弯折性。
实施例2
与实施例1的不同之处在于，本实施例提供的新型增材打印材料，按重量百分比计，包含：脂肪族聚氨酯83.1％；水性消泡剂0.8％；润湿剂0.6％；流平剂0.5％；分散剂3％；颜料红2％、颜料黄5％；和水性固化剂5％，所述新型增材打印材料经测试，黏度值为100000cps。
以涤氨混纺平整面料为3D打印的基底，将适量本实施例提供的新型增材打印材料装入所述陶瓷3D打印设备的油墨料筒，在该油墨料筒的出料口后加设一个适配口径的螺杆挤出机。设计待3D打印立体图案模型为不规则流平性图案模型，将该设计模型文件进行切片，发送至3D打印控制主机。设置3D打印工作参数，具体地，设置所述打印针头喷嘴大小为1.2mm，打印线宽0.3mm，所述基底和打印针头喷嘴的距离为5mm，压缩空气压力为0.1mPa，黏性流体均匀推进器(螺杆挤出机)推进倍率(挤出倍率)为0.5倍，回抽长度为10mm，回抽速率为100mm/S，打印针头喷嘴温度23℃，打印速度为35mm/S。启动3D打印，打印结束，得到如图2所示的不规则流平性打印模型，经测试，该模型厚度厚达3mm，边缘光滑无毛边或拉丝，呈现油墨自然流淌的效果，并且与涤氨混纺基布的附着力达到6.9kg/cm，具备很好的弯折性。
实施例3
与实施例2不同的地方在于，本实施例提供的新型增材打印材料，按重量百分比计，包含：脂肪族聚氨酯78％；水性消泡剂1.2％；润湿剂0.8％；流平剂0.8％；分散剂5.2％；颜料红4％、颜料黄4％；和水性固化剂6％，所述新型增材打印材料经测试，黏度值为96000cps。
本实施例设计待3D打印立体图案模型为有特殊花纹设计的鞋面模型。设置3D打印工作参数，具体地，设置所述打印针头喷嘴大小为1.2mm，打印线宽0.1mm，所述基底和打印针头喷嘴的距离为5mm，压缩空气压力为0.1mPa，黏性流体均匀推进器(螺杆挤出机)推进倍率(挤出倍率)为0.5倍，回抽长度为10mm，回抽速率为100mm/S，打印针头喷嘴温度25℃，打印速度为36mm/S。得到如图3所示的鞋面打印模型，经测试，该模型厚度厚达3mm，边缘光滑无毛边或拉丝，并且与涤氨混纺基布的附着力达到5.4kg/cm，具备很好的弯折性。
实施例4
与实施例1不同之处在于，本实施例设计待3D打印立体图案模型为波浪线条形模型。设置3D打印工作参数，具体地，设置所述打印针头喷嘴大小为1.0mm，打印线宽0.5mm，所述基底和打印针头喷嘴的距离为8mm，压缩空气压力为0.06mPa，黏性流体均匀推进器(螺杆挤出机)推进倍率(挤出倍率)为0.5倍，回抽长度为10mm，回抽速率为100mm/S，打印针头喷嘴温度27℃，打印速度为40mm/S。得到如图4所示的波浪线条形模型，经测试，该模型厚度厚达4mm，边缘光滑无毛边或拉丝，呈现波浪线条形柔和的效果，并且与涤氨混纺基布的附着力达到6.7kg/cm，具备很好的弯折性。
实施例5
与实施例2不同之处在于，本实施例设计待3D打印立体图案模型为网格模型。以光滑玻璃为3D打印的基底，设置3D打印工作参数，具体地，设置所述打印针头喷嘴大小为1.2mm，打印线宽0.4mm，所述基底和打印针头喷嘴的距离为8mm，压缩空气压力为0.08mPa，黏性流体均匀推进器(螺杆挤出机)推进倍率(挤出倍率)为0.5倍，回抽长度为10mm，回抽速率为100mm/S，打印针头喷嘴温度30℃，打印速度为40mm/S。得到如图5所示的网格3D模型，经测试，该模型厚度厚达4mm，边缘光滑无毛边或拉丝，呈现网格3D模型柔和的效果，并且与涤氨混纺基布的附着力达到6kg/cm，具备很好的弯折性。
实施例6
与实施例5不同之处在于，所述基底和打印针头喷嘴的距离为0.5mm，得到如图5所示的网格3D模型，经测试，该模型厚度厚达0.3mm，边缘光滑无毛边或拉丝，呈现网格3D模型柔和的效果，并且与涤氨混纺基布的附着力达到6.2kg/cm，具备很好的弯折性。
需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型增材打印材料，其特征在于，按重量百分比计，包含：
脂肪族聚氨酯60-85％；
水性消泡剂0.3-1.2％；
润湿剂0.2-0.9％；
流平剂0.3-0.9％；
分散剂1.3-5.2％；
颜料5.0-8.0％；和
水性固化剂4.0-6.0％。
2.根据权利要求1所述的新型增材打印材料，其特征在于，按重量百分比计，包含：
脂肪族聚氨酯83.1％；
水性消泡剂0.8％；
润湿剂0.6％；
流平剂0.5％；
分散剂3％；
颜料7％；和
水性固化剂5％。
3.一种新型增材打印材料在陶瓷3D打印设备中的应用，其特征在于，采用陶瓷3D打印设备，包括以下步骤：
准备3D打印的基底；
装料，将适量权利要求1或2所述的新型增材打印材料装入所述陶瓷3D打印设备的油墨料筒；
将预设的3D打印立体图案进行切片，发送；
设置3D打印工作参数，启动3D打印，所述基底为平整或有网孔的纺织面料、光滑的金属、玻璃和木板中的一种或一种以上。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述陶瓷3D打印设备的油墨料筒出料口后连接有黏性流体均匀推进器。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述设置3D打印工作参数包括设置所述基底和打印针头喷嘴的距离、压缩空气压力、黏性流体均匀推进器推进倍率、回抽长度和回抽速率、打印针头喷嘴大小、打印线宽、打印针头喷嘴温度，打印速度。
6.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述压缩空气压力为0.01-0.1mPa，所述黏性流体均匀推进器推进倍率为0.5倍。
7.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述打印针头喷嘴大小为0.3-2mm，所述打印线宽为0.1-2.2mm。
8.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述打印针头喷嘴温度为15-35℃。
9.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述打印速度为35-40mm/s。
10.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述回抽长度为10mm，所述回抽速率为100mm/S。
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