CN113372853A - 用于粘结剂喷射3d打印的水基粘结剂、制备及应用 - Google Patents

用于粘结剂喷射3d打印的水基粘结剂、制备及应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及粘结剂喷射3D打印技术领域，提供了一种用于粘结剂喷射3D打印的水基粘结剂、制备及应用，所述粘结剂组分包括溶剂、基体、增强体、快干剂、渗透剂和表面活性剂；溶剂为去离子水，基体为PVA，增强剂为PAA，快干剂为IPA，渗透剂为乙二醇丁醚或乙二醇甲醚，表面活性剂为十二烷基硫酸钠或APG烷基糖苷2000；通过不同快干剂与渗透剂的配比，制备出适应于不同层厚的3D打印产品。本发明粘结剂在保证坯体强度的同时适用于不同层厚的产品，具有重要商业价值；本发明在制备出坯体烧结过程中只产生CO2和H2O，环保清洁；本发明使用相对含量较少的醚类，极大提高粘结剂对金属粉末的浸润性，提高打印坯体的强度。

Description

用于粘结剂喷射3D打印的水基粘结剂、制备及应用
技术领域
本发明涉及粘结剂喷射3D打印技术领域，特别涉及一种用于粘结剂喷射3D打印的水基粘结剂、制备及应用。
背景技术
粘结剂喷射(BJ)3D打印方法，作为增材制造的一种，于1993年在麻省理工学院诞生。该技术涉及喷墨喷嘴，该喷嘴将粘合剂喷涂在塑料粉末床表面上。粘合剂在空气中挥发会固化。
粘结剂喷射3D打印方法与涉及到使用高能束的3D打印方法相比，具有更高的打印速度和更低的成本。其中，粘合剂的组成和工艺参数是该技术的两个关键因素；因此寻找适配于不同层厚打印产品的粘结剂至关重要。
发明内容
本发明的目的就是至少克服现有技术的不足之一，提供了一种用于粘结剂喷射3D打印的水基粘结剂、制备及应用，本发明制备的粘结剂在保证低粘度及低表面张力的特征，同时提供了足够的坯体强度，并且降低了粘结剂的固化时间，具有重要的商业推广价值。
关于本发明粘结剂组分的考虑，主要基于粘结剂的可喷射性和对粉末的粘结强度两个方面出发。首先，在确保粘结剂可喷射性方面，需要保证粘结剂的粘度在9-15cps，表面张力在25-40mN·m-1范围内；这对粘结剂的基体选择有着关键且具限制性的作用，目前用于金属3DP打印的多为酚醛树脂，粘结剂气味重，有害于操作人健康；打印后，需进行进一步处理，使其固化充分；脱脂过程，挥发性有机化合物VOC含量高。而选用PVA基体则可避免以上问题，兼具成本低、无毒和环保的特点。而在添加剂的选择，经过大量实验及精心选择，则是同时确保了坯体强度和打印速度两方面。最终的配方，由于是水基粘结剂，适配于市面上所有喷头；保证坯体强度的同时，适用于不同层厚的打印产品，具有重要的商业推广价值；脱脂过程，只产生CO2和H2O，具有环保的特点；并且成本低，制作工艺简单。
一方面，本发明提供了一种用于粘结剂喷射3D打印的水基粘结剂，所述粘结剂的组分包括溶剂、基体、增强体、快干剂、渗透剂和表面活性剂；所述溶剂为去离子水，所述基体为PVA(聚乙烯醇)，所述增强剂为PAA(聚丙烯酸)，所述快干剂为IPA(异丙醇)或乙醇，所述渗透剂为乙二醇丁醚或乙二醇甲醚，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠或APG烷基糖苷2000。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述粘结剂的组分按质量份数为：100份去离子水，4-5份PVA，0.5-1份PAA，5份IPA，2.5份乙二醇丁醚或乙二醇甲醚，0.5份十二烷基硫酸钠或APG烷基糖苷2000；该组分配比的粘结剂用于打印层厚为0.12mm的3D产品。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述粘结剂的组分按质量份数为：100份去离子水，4-5份PVA，0.5-1份PAA，2.25份IPA，2.25份乙二醇丁醚或乙二醇甲醚，0.5份十二烷基硫酸钠或APG烷基糖苷2000；该组分配比的粘结剂用于打印层厚为0.15mm的3D产品。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述粘结剂的组分按质量份数为：100份去离子水，4-5份PVA，0.5-1份PAA，2.5份IPA，5份乙二醇丁醚或乙二醇甲醚，0.5份十二烷基硫酸钠或APG烷基糖苷2000；该组分配比的粘结剂用于打印层厚为0.20mm的3D产品。
由于醇醚(乙二醇丁醚或乙二醇甲醚)中同时含有羟基和羰基高电负性官能团，促进粘结剂对粉床的渗透作用，改变其含量可改变粘结剂对粉床在相同时间内的渗透深度，从而改变了粘结剂饱和度这一关键参数，本发明对醇醚的含量进行精心选择，最终使其适用不同层厚的打印产品。
另一方面，本发明还提供了一种上述的用于粘结剂喷射3D打印的水基粘结剂的制备方法，包括：
S1、称量设定份数的去离子水、PVA、PAA、IPA、乙二醇丁醚或乙二醇甲醚、十二烷基硫酸钠或APG烷基糖苷2000；
S2、将PVA溶于去离子水中，搅拌、静置，使PVA充分溶胀；
S3、将步骤S2所得溶液加热，依次分别加入PAA，IPA，乙二醇丁醚或乙二醇甲醚，十二烷基硫酸钠或APG烷基糖苷2000，充分搅拌即得所述粘结剂。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S2中，搅拌8-12分钟，静置4-5h。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S3中，加热温度为65℃，充分搅拌0.5-1.5h。
再一方面，本发明还提供了一种粘结剂喷射3D打印方法，使用上述的用于粘结剂喷射3D打印的水基粘结剂，所述打印方法包括：
X1、将所述粘结剂放入打印机墨盒，进行压墨操作3-5回合，使墨路系统稳定；
X2、待墨路系统稳定，设定负压为-4kPa，设定打印层厚；
X3、在料缸中铺粉，打印。
本发明的有益效果为：
1、本发明粘结剂配比合理，制备方法极为简单，成本低，提够了适用于不同层厚3D打印产品的水基粘结剂，保证坯体强度的同时，有效降低了固化时间，具有重要的商业推广价值。
2、本发明制备的粘结剂在制备出坯体烧结过程中，只产生CO2和H2O，因此具有环保的优点。
3、本发明涉及到使用相对含量较少的醚类，极大地提高了粘结剂对金属粉末的浸润性，从而进一步提高了打印坯体的强度。
附图说明
图1所示为使用本发明粘结剂打印的AlSi10Mg零件的实物图照片。
图2所示为使用本发明粘结剂打印的316L零件的实物图照片。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
本发明实施例一种用于粘结剂喷射3D打印的水基粘结剂，所述粘结剂的组分包括溶剂、基体、增强体、快干剂、渗透剂和表面活性剂；所述溶剂为去离子水，所述基体为PVA，所述增强剂为PAA，所述快干剂为IPA，所述渗透剂为乙二醇丁醚或乙二醇甲醚，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠或APG烷基糖苷2000。所述粘结剂的各组分比例根据打印层厚分别确定。
本发明实施例一种上述的用于粘结剂喷射3D打印的水基粘结剂的制备方法，包括：
S1、称量设定份数的去离子水、PVA、PAA、IPA、乙二醇丁醚或乙二醇甲醚、十二烷基硫酸钠或APG烷基糖苷2000；
S2、将PVA溶于去离子水中，搅拌、静置，使PVA充分溶胀；
S3、将步骤S2所得溶液加热，依次分别加入PAA，IPA，乙二醇丁醚或乙二醇甲醚，十二烷基硫酸钠或APG烷基糖苷2000，充分搅拌即得所述粘结剂。
实施例1
一种用于粘结剂喷射3D打印的水基粘结剂，由以下质量份的组分组成：以100份去离子水作为溶剂，4-5份PVA作为基体,0.5-1份PAA作为增强体，5份IPA作为快干剂，2.5份乙二醇丁醚(或乙二醇甲醚)作为渗透剂，0.5份十二烷基硫酸钠(或APG烷基糖苷2000)作为表面活性剂。
使用该配比粘结剂的打印方法：
X1、按上述水基粘结剂制备方法制备出粘结剂，将其加入打印机墨盒中，进行压墨操作3-5回合，使墨路系统稳定；
X2待墨路系统稳定，设定负压为-4kPa，层厚为0.12mm；
X3、将料缸中AlSi10Mg粉末进行铺粉，铺粉结束后，即可进行打印。
实施例2
一种用于粘结剂喷射3D打印的水基粘结剂，由以下质量份的组分组成：以100份去离子水作为溶剂，4-5份PVA作为基体,0.5-1份PAA作为增强体，2.25份IPA作为快干剂，2.25份乙二醇丁醚(或乙二醇甲醚)作为渗透剂，0.5份十二烷基硫酸钠(或APG烷基糖苷2000)作为表面活性剂。
使用该配比粘结剂的打印方法：
X1、按上述水基粘结剂制备方法制备出粘结剂，将其加入打印机墨盒中，进行压墨操作3-5回合，使墨路系统稳定；
X2待墨路系统稳定，设定负压为-4kPa,层厚为0.15mm；
X3、将料缸中AlSi10Mg粉末进行铺粉，铺粉结束后，即可进行打印。
实施例3
一种用于粘结剂喷射3D打印的水基粘结剂，由以下质量份的组分组成：以100份去离子水作为溶剂，4-5份PVA作为基体,0.5-1份PAA作为增强体，2.5份IPA作为快干剂，5份乙二醇丁醚(或乙二醇甲醚)作为渗透剂，0.5份十二烷基硫酸钠(或APG烷基糖苷2000)作为表面活性剂。
使用该配比粘结剂的打印方法：
X1、按上述水基粘结剂制备方法制备出粘结剂，将其加入打印机墨盒中，进行压墨操作3-5回合，使墨路系统稳定；
X2待墨路系统稳定，设定负压为-4kPa,层厚为0.20mm；
X3、将料缸中AlSi10Mg粉末进行铺粉，铺粉结束后，即可进行打印。
实施例4
一种用于粘结剂喷射3D打印的水基粘结剂，由以下质量份的组分组成：以100份去离子水作为溶剂，4-5份PVA作为基体,0.5-1份PAA作为增强体，2.5份IPA作为快干剂，0.25-0.5份乙醇为快干助剂5份乙二醇丁醚(或乙二醇甲醚)作为渗透剂，0.5份十二烷基硫酸钠(或APG烷基糖苷2000)作为表面活性剂。
乙醇主要用于较重金属元素合金重，譬如316L，In718；原理上其少量乙醇的添加是为了增加粘结剂的饱和蒸汽压，从而提高粘结剂的固化速率，避免重金属元素合金打印过程中起初层“拖件”的问题。但乙醇的量不能大，大量的乙醇会降低粘结剂基体PVA在溶液中的稳定性，不利于粘结剂的长时间的有效使用。
使用该配比粘结剂的打印方法：
X1、按上述水基粘结剂制备方法制备出粘结剂，将其加入打印机墨盒中，进行压墨操作3-5回合，使墨路系统稳定；
X2待墨路系统稳定，设定负压为-4kPa,层厚为0.10mm；
X3、将料缸中316L粉末进行铺粉，铺粉结束后，即可进行打印。
实施例1-3所打印的AlSi10Mg零件，经烧结后，其致密度可达94％，实物如图1所示。
实施例4所打印的316L零件，经烧结后，其致密度可达97％，实物如图2所示。
本发明制得的粘结剂在保证坯体强度的同时，其特点还在于适用于不同层厚的产品，具有重要的商业推广价值。同时，本发明制备的粘结剂在制备出坯体烧结过程中，只产生CO2和H2O，因此具有环保的特点。但是，由于本发明涉及到使用相对含量较少的醚类，一方面，极大地提高了粘结剂对金属粉末的浸润性，从而进一步提高了打印坯体的强度；另一方面，由于使用的醚类具有低毒性，在制备过程中需注意防护。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (9)

1.一种用于粘结剂喷射3D打印的水基粘结剂，其特征在于，所述粘结剂的组分包括溶剂、基体、增强体、快干剂、渗透剂和表面活性剂；所述溶剂为去离子水，所述基体为PVA，所述增强剂为PAA，所述快干剂为IPA，所述渗透剂为乙二醇丁醚或乙二醇甲醚，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠或APG烷基糖苷2000。
2.如权利要求1所述的用于粘结剂喷射3D打印的水基粘结剂，其特征在于，所述粘结剂的组分按质量份数为：100份去离子水，4-5份PVA，0.5-1份PAA，5份IPA，2.5份乙二醇丁醚或乙二醇甲醚，0.5份十二烷基硫酸钠或APG烷基糖苷2000。
3.如权利要求1所述的用于粘结剂喷射3D打印的水基粘结剂，其特征在于，所述粘结剂的组分按质量份数为：100份去离子水，4-5份PVA，0.5-1份PAA，2.25份IPA，2.25份乙二醇丁醚或乙二醇甲醚，0.5份十二烷基硫酸钠或APG烷基糖苷2000。
4.如权利要求1所述的用于粘结剂喷射3D打印的水基粘结剂，其特征在于，所述粘结剂的组分按质量份数为：100份去离子水，4-5份PVA，0.5-1份PAA，2.5份IPA，5份乙二醇丁醚或乙二醇甲醚，0.5份十二烷基硫酸钠或APG烷基糖苷2000。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的用于粘结剂喷射3D打印的水基粘结剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
S1、称量设定份数的去离子水、PVA、PAA、IPA、乙二醇丁醚或乙二醇甲醚、十二烷基硫酸钠或APG烷基糖苷2000；
S2、将PVA溶于去离子水中，搅拌、静置，使PVA充分溶胀；
S3、将步骤S2所得溶液加热，依次分别加入PAA，IPA，乙二醇丁醚或乙二醇甲醚，十二烷基硫酸钠或APG烷基糖苷2000，充分搅拌即得所述粘结剂。
6.如权利要求5所述的用于粘结剂喷射3D打印的水基粘结剂的制备方法，其特征在于，步骤S2中，搅拌8-12min，静置4-5h。
7.如权利要求5所述的用于粘结剂喷射3D打印的水基粘结剂的制备方法，其特征在于，步骤S3中，加热温度为65℃，充分搅拌0.5-1.5h。
8.一种如权利要求1-4任一项所述的用于粘结剂喷射3D打印的水基粘结剂的应用，其特征在于：
权利要求2所述的粘结剂用于打印层厚为0.12mm的3D产品；
权利要求3所述的粘结剂用于打印层厚为0.15mm的3D产品；
权利要求4所述的粘结剂用于打印层厚为0.20mm的3D产品。
9.一种粘结剂喷射3D打印方法，其特征在于，使用如权利要求1-4任一项所述的用于粘结剂喷射3D打印的水基粘结剂，所述打印方法包括：
X1、将所述粘结剂放入打印机墨盒，进行压墨操作3-5回合，使墨路系统稳定；
X2、待墨路系统稳定，设定负压为-4kPa，当打印层厚为0.10mm时采用权利要求2所述的粘结剂，当打印层厚为0.15mm时采用权利要求3所述的粘结剂，当打印层厚为0.20mm时采用权利要求4所述的粘结剂；
X3、在料缸中铺粉，打印。
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