CN113510938B - 一种基于3d打印和注射成型的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于3D打印和注射成型的制造方法，对3D打印制件进行结构设计，并完成3D打印制件的加工；将3D打印制件预热后放入注射模具相应位置内；将热塑性聚合物原料充入注射模具内，经过冷却后定型，3D打印制件与后注射充入的聚合物原料形成均一的组合制件；将所得的组合制件进行翘曲及应力分布的后处理，即得。本发明能够获得力学性能、传导性能或其它使用性能的一个方面或多个方面超过普通注射制品的组合制件，且制造工艺的重复性好、可实施性强，适合于批量化生产。

Description

一种基于3D打印和注射成型的制造方法

技术领域

本发明涉及一种成型方法，特别是涉及一种基于3D打印和注射成型的制造方法。

背景技术

三维打印技术又被称作增材制造技术，简称3D打印，它基于离散/堆积的思想，通过计算机软件将制品的CAD三维模型沿某一方向分层切片处理，得到每层截面轮廓的加工信息，经三维打印机分层加工，层层叠加，快速、精确地将设计概念转变为具有一定功能的原型或直接制造零件。由于可以快速得到设计产品原型、突破传统制造中难加工部件等优点，三维打印技术越来越成为诸多行业领域关注的焦点，其应用也在不断拓展。

然而，目前3D打印制件的生产效率往往较低，特别是，用3D打印来加工类似注射成型制件时，仍然不具备大规模生产的可能性；同时，3D打印制件的力学性能稳定性相对较低，这给其应用于加工大型零部件增加了一些限制。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种基于3D打印和注射成型的制造方法，能够获得力学性能、传导性能或其它使用性能的一个方面或多个方面超过普通注射制品的组合制件，且制造工艺的重复性好、可实施性强，适合于批量化生产。

技术方案：本发明所述的一种基于3D打印和注射成型的制造方法，包括以下步骤：

(1)对3D打印制件进行结构设计，并完成3D打印制件的加工；

(2)将3D打印制件预热后放入注射模具相应位置内；(3)将热塑性聚合物原料充入注射模具内，经过冷却后，3D打印制件与后注射充

入的聚合物原料形成均一的组合制件；(4)将所得的组合制件进行翘由及应力分布的后处理，即得。本发明根据待加工注射制品的特点与应用目的而特别设计加工出的3D打印制件作

为注射制品的模内嵌件并最终形成3D打印制件与注射熔体浑然一体的制品加工方法。其中，上述步骤(1)中，制件的使用目标包括力学性能、电学性能等的提升等；根

据欲加工的注射制件的结构进行分析，确定其特点及使用目标，并进而确定3D打印制件的嵌入位置、尺寸和形状特征，开展3D打印制件的结构设计。

进一步地，3D打印制件的结构设计包括自身结构增强部分、模内安放部分和熔体流动调控部分；其中，自身结构增强部分主要保证打印件自身的强度，作为优选，自身增强部分保证在注射模腔内承受0～50MPa压力时不发生变形，模内安放部分主要是为了放置模具内时能够便于安放，保证模具开合时其位置国定，比模具型腔相应位置的尺寸大0.5％～2％之间，熔体流动调控部分是3D打印制件的功能部分，主要是与熔体在注射过程中的流动方向保持一致，作为优选，熔体流动调控部分与熔体在模具内的流动方向相互平行，从而表现出一种类似细长流道的效果。。

其中，安放部分的尺寸大于模具型腔对应位置尺寸是为了保证3D打印件放置于模具内的国定，同时在略受力时即可以放于模内。尺寸过小则国定不牢靠，尺寸过大则不便于安放。熔体流动调控部分的设计原理在于：通过熔体在所指定方向上的受限流动，提高了流动诱导作用，进而对充入熔体的力学性能有提升效果。另外，通过提高后充入熔体与提前安放的嵌件之间的界面结合作用来提升最终产品的综合性能。

优选地，3D打印件的熔体流动调控部分为细长流道，或在细长流道内壁表面设有微沟整形式；这种微沟整通常的做法是直接在3D打印件上设计并打印，但这会给相应的打印控制增添了麻烦。本申请中的作为一个改进方法，其微沟整则是通过在打印过程中修改原始代码并获得较多位置随机的停留点而得到的。

上述步骤(2)中，3D打印制件预热温度低于其热变形温度5～20度之间，并且预热温度和注射模具的温度差值在0度～80度之间。其中，注射模具的温度可以是恒定不变的，也可以采用变模温工艺。

预热温度保证了材料在安放时能够少量变形，利于安放，同时，预热温度和后充入塑料熔体之间的温度差尽量小，保证两者的收缩率差值最小，不过，预热温度也不能过大，超过或临近热变形温度时，打印件承受注射的力量受到影响，注射时发生变形，影响最终制品的外观及性能。

上述步骤(4)中，对所得的组合制件进行特殊后处理，以避免产品的翘由，消除其内应力。具体的，后处理包括将制件放置于与所述制件形状相匹配的夹具中，并在低于熔点温度10～20度范围内保持5-20分钟。

作为优选，3D打印件的熔体流动调控部分设有细长流道微沟整。进一步地，需要考虑异种材料的界面性能，可以采用相应手段提升异种材料之间的

界面结合效果，本发明的可用于注射成型嵌件的3D打印方法，为了提高3D打印件与后注射进入的熔体之间的结合力，在打印过程中设置有较多的位置随机的停留点，其停留时间在1～1000ms之间，每一停留点在打印件上就形成微沟整。

为了能够在打印过程中增加停留点，本发明还提供了一种打印代码的直接修改方法。主要包括以下步骤：(1)确定停留点间隔距离；(2)根据每一个打印段确定间隔点数量；(3)确定每一个间隔点位置；(4)修改打印段的代码，插入N个停留点代码，并同步修改打印材料的用量。

比如，以停留时间以200ms为例，在打印过程中有如下代码：

……

G1 X35.783 Y11.081 E13.44863//从(***,***)打印到(35.783,11.081)；E表示打印丝材的总量(下同)；

G1 X63.132 Y11.081 E13.77165//继续打印到(63.132，11.081)E的增量表示

打印材料的用量；

……

其中“//”的内容为解释部分。

则，当在其打印路径中存在一个P点(35.783,11.081)，此时，在该点停留时典型代码如下：

……

G1 X35.783 Y11.081 E13.44863//从(***,***)打印到(35.783,11.081)；E表示打印丝材的总量(下同)；

G1 X49.458 Y11.081 E13.61014//从(35.783,11.081)打印到(49.458，11.081)E的增量表示打印材料的用量；

G4 P200//在P点(49.458，11.081)处停留200MS

G1 X63.132 Y11.081 E13.77165//继续打印到(63.132，11.081)

……

本发明得到的制品具有使用3D打印制造的嵌件。其中，3D打印与注射成型可以使用相同的材料，也可以使用不同的材料。3D打印制品所使用的工艺可以是FDM、SLS、POLYJET、MJF、SLA等工艺的一种或多种形式的组合。

本发明还提供了上述3D打印与注射成型组合制品的具体应用，该类产品在力学性能、导电、导热性能的一个方面或多个方面具有优势。

发明原理：本发明利用3D打印制件可以灵活设计制件结构的特点，设计出利于熔体在型腔内充填并保持取向的结构，实现聚合物注射成型制品在局部或全部空间上的性能调控。同时，使用停留点的办法使材料在停留点位置上会增加少量原料，从而在此处增大充填熔体与打印件之间的界面结合作用，

虽然，注射成型生产效率高，可以加工外形复杂的产品，不仅可以适用于热塑性塑料，也可以适用于热国性塑料，因而，采用该工艺加工的产品应用十分广泛，目前是塑料制品工业化生产制造的一种常见工艺。不过，注射成型也经常面临着制件的局部增强、力学性能或者传导性能的提升等方面的需求。

而将3D打印和注射成型结合起来，具有如下技术难点：将3D打印制件放入注射模具内后进行注射充填时就也会面临一系列问题，3D打印制件无法较好的安放于注射模具内部；注射充填的压力较高时，3D打印制件可能无法承受而发生严重变形；3D打印制件与后充入熔体之间的界面结合较差；3D打印制件与注射制品的组合制件很容易发生翘由等。

本发明提供了3D打印与注射成型组合制造的方法，全面解决了使用该方法进行组合制造时所面临的问题，通过优化最终制品结构设计、3D打印制件的结构设计、全套工艺方案及相关参数、相关装置及模具的设计等，获得力学性能、传导性能或其它使用性能的一个方面或多个方面超过普通注射制品的组合制件，该工艺的重复性好、可实施性强，适合于批量化生产。

采用本发明的3D打印与注射成型相互组合制造的方法，具有以下有益效果：(1)可很容易的兼具3D打印与注射成型两种加工方法的优势，在提升制品全部或

局部的力学性能、导热或导电性能方面具有广泛的应用前景；(2)利用普通设备即可实现生产，使用和普通注射制品完全一致的模具，无需对模

具结构进行修改或者调整，因而工艺简单、方便实施；(3)有效提高了异种材料之间的界面结合力，产品的一致性好；

(4)有效解决了3D打印件安放与国定于注射模具时容易出现的问题以及3D打印与注射成型组合制件很容易发生的翘由问题等；

(5)在打印过程中增加的停留点可以不体现在其结构设计中，这些停留点是后来通过直接修改代码形成的，位置上随机分布，从而不会在宏观上产生对熔体流动的阻碍效应，也不会影响打印件自身的结构。

(6)本发明中相应3D打印制件的设计方法及代码改进方法，应用上述方法来调控聚合物注射流动过程的制品，该制品的力学性能、电学性能等明显超越同类制品。

附图说明

图1是本发明的工艺过程示意图

图2是本发明的工艺路线示意图。

图3是本发明的3D打印制件的设计图。

图4是本发明实施例1所得3D打印制件的外形图，即具有微沟整形式的3D打印嵌件。

图5是本发明实施例2所得3D打印制件的外形图，即无沟整形式的3D打印嵌件。

图6是对比例1的制件外形图，具有宏观沟整形式的3D打印嵌件。

图7是对比例2的制件外形图，网格状打印件。

图8是3D打印制件充入PP材料后所得制件；其中，图A为对比例1制件，该制件未经前预热及后处理，翘由严重；图B为对比例1制件，该制件经过预热，但未经过后处理，翘由稍好；图C为实施例1的制件，翘由完全消除。

图9是本发明实施例制品的截面结构扫描电镜图。

图10是对比例制品的截面结构扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。

本发明所述的3D打印与注射成型组合制造方法，主要包括前期准备和成型加工过程、以及后处理等三部分关键技术细节。设备方面，需要一台普通的注射机和3D打印机；使用的注射原料为热塑性树脂，3D打印原料根据其相应工艺确定，使用的原辅材料均为市售。

如图1、2所示是本发明的工艺过程和路线示意图，本发明的主要实现步骤包括以下步骤：

(1)对欲加工的注射制件的结构进行分析，确定其特点及使用目标，并进而确定3D打印制件的嵌入位置、尺寸和形状特征，开展3D打印制件的结构设计；

(2)修改3D打印源代码，并完成3D打印制件的加工；

(3)将3D打印制件预热后放入注射模具相应位置内；

(4)将热塑性聚合物原料充入注射模具内，经过冷却后，3D打印制件与后注射充入的聚合物原料形成均一的组合制件；

(5)将所得的组合制件进行翘由及应力分布的后处理，即可得到力学性能优异、或者具有特殊传导性能、或具有特殊调控效果的产品。

实施例1 PC/ABS-FDM-微沟整+PP

本实施例为利用PC/ABS为3D打印原料，PP为注射原料，其中，PP的拉伸强度为27.5MPA，杨氏模量为1099MPa，PC/ABS打印件的拉伸强度为45.7MPa，杨氏模量为1975MPa。使用的3D打印工艺为FDM。其实施过程如下：

首先，开展3D打印制件的结构设计，其设计过程如图3所示，根据欲加工标准拉伸样条的特点，将3D打印制件的结构主要包括3部分，底部国定到模具的部分，其宽度控制在10.1mm，端部加强部分，宽度按10mm，以及细长流道部分，其截面部分占整个注射件截面体积在40％(含底部国定部分)；该打印制件显示于图4之中，其中该制件左边部分为自身增强部分，制件的下部为模具内安放部分，制件的右边上部为熔体流动调控部分，在熔体流动调控部分有微细的沟整存在。

其次，根据设计的模型，软件自动生成3D打印源代码，在此基础上，修改3D打印源代码，在其打印过程中，增强停留点，停留点具体的确定方法是：1)根据制品尺寸及性能目标，确定在间隔距离5到10毫米内增强一个停留点；2)在打印代码中，确定每一个间隔点位置及其代码；3)修改打印段的代码，插入停留点代码，并同步修改打印材料的用量。

比如，在打印过程中有如下代码：

……

G1 X35.783 Y11.081 E13.44863//从(***,***)打印到(35.783,11.081)；E表示打印丝材的总量(下同)；

G1 X63.132 Y11.081 E13.77165//继续打印到(63.132，11.081)E的增量表示打印材料的用量；

……

其中“//”的内容为解释部分。

则，当在其打印路径中存在一个P点(35.783,11.081)，此时，在该点停留时典型代码如下：

……

G1 X35.783 Y11.081 E13.44863//从(***,***)打印到(35.783,11.081)；E表示打印丝材的总量(下同)；

G1 X49.458 Y11.081 E13.61014//从(35.783,11.081)打印到(49.458，11.081)

E的增量表示打印材料的用量；

G4 P200//在P点(49.458，11.081)处停留200MS

G1 X63.132 Y11.081 E13.77165//继续打印到(63.132，11.081)

……

使用修改后的打印代码完成3D打印制件的加工；

再次，将3D打印制件预热到130度后放入到温度为80度的注射模具内，此时，稍加用力可将打印件放置到模具内并实现轻松的国定；

之后，将PP原料充入注射模具内，经过冷却后，3D打印制件与后注射充入的聚合物原料形成均一的组合制件，其外形如图7所示；

最终，将所得的组合制件进行翘由及应力分布的后处理，即对制件放置于和其形状相互适应的夹具中，并在低于熔点温度10～30度范围内保持5～20分钟，最终可得到力学性能优异、或者具有特殊传导性能、或具有特殊调控效果的产品。

对所制得的制品进行拉伸性能测试，测试结果见表1。

从该结果可知，将3D打印与注射成型组合后所得制品的拉伸强度高达39.8MPa，杨氏模量为2041MPa。这个结果远超过理论结果(按两相律模型折算后的拉伸强度应该为34.78MPa，杨氏模量应该为1449MPa)，从而表明了该工艺中两部分材料产生的协同效应，证实了该方法在提升力学性能方面的有效性。

另外，也将组合制件中的3D打印部分去除后仅测试细长流道部分内的PP材料，发现该部分的PP的拉伸强度高达31.1MPa，和纯PP的拉伸强度27.5MPA相比，材料的性能明显提升，这可能与PP分子链在打印件内流动时受到明显的牵伸作用有关，从而表明本申请中3D打印件的结构有利于提升PP在流动方向上性能提升。

其内部结构显示打印材料与后注入材料之间的结合很紧密，这则是其力学性能提升的另一个主要原因，如图9所示。

实施例2 PC/ABS-FDM-细长流道+PP

本实施例为利用PC/ABS为3D打印原料，PP为注射原料，其中，PP的拉伸强度为27.5MPA，杨氏模量为1099MPa，PC/ABS打印件的拉伸强度为45.7MPa，杨氏模量为1975MPa。使用的3D打印工艺为FDM。其实施过程如下：

首先，开展3D打印制件的结构设计，其设计过程也如图3所示，根据欲加工标准拉伸样条的特点，将3D打印制件的结构主要包括3部分，底部国定到模具的部分，其宽度控制在10.1mm，端部加强部分，宽度按10mm，以及细长流道部分，其截面部分占整个注射件截面体积在45％(含底部国定部分)；该打印制件显示于图5之中，其中该制件左边部分为自身增强部分，制件的下部为模具内安放部分，制件的右边上部为熔体流动调控部分，也即细长流道部分。该制件的基本结构与图4类似，但缺少微沟整，其熔体流动调控部分的臂相对光滑。

其次，根据设计的模型，软件自动生成3D打印源代码，根据代码直接打印出制件，如图4所示。

再次，将3D打印制件预热到120度后放入到温度为90度的注射模具内，此时，稍加用力可将打印件放置到模具内并实现轻松的国定；

之后，将PP原料充入注射模具内，经过冷却后，3D打印制件与后注射充入的聚合物原料形成均一的组合制件，其外形也如图7所示；

最终，将所得的组合制件进行翘由及应力分布的后处理，即对制件放置于和其形状相互适应的夹具中，并在低于熔点温度10～30度范围内保持5～20分钟，依据打印件的不同性能特点，最终可得到力学性能优异、或者具有特殊传导性能、或具有特殊调控效果的产品。

对所制得的制品进行拉伸性能测试，测试结果也见表1。

从该结果可知，将3D打印与注射成型组合后所得制品的拉伸强度高达38.5MPa，杨氏模量为1997MPa。这个结果远超过理论结果(按两相律模型折算的拉伸强度应该为35.69MPa，杨氏模量应该为1493MPa)，从而表明了该工艺中两部分材料产生的协同效应，证实了该方法在提升力学性能方面的有效性。

另外，也将组合制件中的3D打印部分去除后仅测试细长流道部分内的PP材料，发现该部分的PP的拉伸强度高达30.9MPa，和纯PP的拉伸强度27.5MPA相比，材料的性能明显提升，这可能与PP分子链在打印件内流动时受到明显的牵伸作用有关，从而表明本申请中3D打印件的结构有利于提升PP在流动方向上性能提升。

为了对本发明的效果进行说明，另外列举了相应的注射制品和常规三维打印制品的力学性能作为对比，比较结果也列于表1。

对比例1 PC/ABS-FDM-宏观沟整+PP

对比例1主要与实施例1中的代码停留效果相对比。其主要方法是将实施例1中的代码停留直接在打印件中设计一些宏观的沟整，如图6所示，但这些沟整的存在反而会破坏熔体的流动，从而表现出在制件性能提升上的不足。

对比例2 PC/ABS-FDM-网格+PP

对比例2主要与实施例2相互对比，其3D打印件设计为网格状，这个结构很容易设计及打印，所得打印制件的外形如图7所示，经过和实施例2完全相同的工艺后，所得制品的拉伸强度仅为29.1MPa，杨氏模量为1489MPa。

表1几种制品的拉伸性能比较

通过表1的数据也可以看出，本发明的制品的力学性能有很大的提高，因而这类制品具有性能优异的特点，从而具有优异的应用前景。

另外，也将实施例1和对比例1的制品外形列于图8中，从图8可知，实施例1中所得制品的翘由被消除，而对比例1制品翘由严重。另外，也将实施例1和对比例2的制品内部结构分别列于图9和图10中，从图的对比可知，实施例1所得的3D打印件与注射熔体之间结合紧密，而对比例2则显示的3D打印件与注射熔体之间有明显的缝隙，表明两者的界面作用力较差。上述表明本发明的实施效果明显。

实施例3导电ABS-FDM-微沟整+PP

本实施例利用市售导电级ABS为3D打印原料，PP为注射原料。其实施过程与实施例1保持一致。最终所得的组合制件在厚度与宽度方向上的导电性能比PP大幅提升，表现为导电ABS的性能，而且其力学性能也具有与实施例1类似的效果。

实施例4 PA-SLS-细长流道+PP

本实施例为利用PA为3D打印原料，PP为注射原料，其中，PP的拉伸强度为27.5MPA，杨氏模量为1099MPa，PA打印件的拉伸强度为46.2MPa，杨氏模量为1591MPa。使用的3D打印工艺为粉末激光烧结SLS。其实施过程与实施例2一致。

对所制得的制品进行拉伸性能测试，结果可知，将3D打印与注射成型组合后所得制品的拉伸强度高达40.2MPa，杨氏模量为1489MPa,其结果明显超过纯PP的力学性能，也超过按两相律模型计算后所得的理论值(按两相律模型折算的拉伸强度应为35.91MPa，拉伸模量应该为1320MPa)。

另外，也将组合制件中的3D打印部分去除后仅测试细长流道部分内的PP材料，发现该部分的PP的拉伸强度高达30.8MPa，和纯PP的拉伸强度27.5MPA相比，材料的性能明显提升，这可能与PP分子链在打印件内流动时受到明显的牵伸作用有关，从而表明本申请中3D打印件的结构有利于提升PP在流动方向上性能提升。

对比例3 PA-SLS-网格+PP

本对比例使用的原料和实施例4相同，3D打印制件的结构设计与对比例2一致，经过和实施例4完全相同的工艺后，所得制品的拉伸强度仅为36.2MPa，杨氏模量为1336MPa,因而表明实施例4对力学性能的提升效果比较明显。

Claims (8)

1.一种基于3D打印和注射成型的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）对3D打印制件进行结构设计，并完成3D打印制件的加工；3D打印制件的结构设计包括自身结构增强部分、模内安放部分和熔体流动调控部分；3D打印件的熔体流动调控部分设有流道；熔体流动调控部分用于限制熔体在所指定方向上的流动；流道的内壁表面设有微沟壑，所述微沟壑的加工方法为：在打印过程中设置位置随机的打印停留点；

3D打印制件的加工包括一种可增加打印停留点的3D打印代码修改方法，具体包括以下步骤：

1）确定停留点间隔距离；

2）根据每一个打印段确定间隔点数量；

3）确定每一个间隔点位置；

4）修改打印段的代码，插入N个停留点代码；

（2）将3D打印制件预热后放入注射模具相应位置内；

（3）将热塑性聚合物原料充入注射模具内，经过冷却后定型，3D打印制件与后注射充入的聚合物原料形成均一的组合制件；

（4）将所得的组合制件进行翘曲及应力分布的后处理，即得。

2.根据权利要求1所述的基于3D打印和注射成型的制造方法，其特征在于，步骤（1）中，根据欲加工的注射制件的结构进行分析，确定其特点及使用目标，并进而确定3D打印制件的嵌入位置、尺寸和形状特征，开展3D打印制件的结构设计。

3.根据权利要求2所述的基于3D打印和注射成型的制造方法，其特征在于，自身结构增强部分保证打印件在注射模腔内承受0~50MPa压力时不发生变形，模内安放部分比模具型腔相应位置的尺寸大0.5%~2%，熔体流动调控部分与熔体在注射过程中的流动相互适应，熔体流动调控部分与熔体在模具内的流动方向相互平行。

4.根据权利要求1所述的基于3D打印和注射成型的制造方法，其特征在于，步骤（2）中，3D打印制件预热温度低于其热变形温度5~20度之间，并且预热温度和注射模具的温度差值在0度~80度之间。

5.根据权利要求1所述的基于3D打印和注射成型的制造方法，其特征在于，步骤（4）中，后处理包括将制件放置于与所述制件形状相匹配的夹具中，并在低于熔点温度10~20度范围内保持5-20分钟。

6.根据权利要求5所述的基于3D打印和注射成型的制造方法，其特征在于，打印停留点的停留时间在1~1000ms之间。

7.根据权利要求1所述的基于3D打印和注射成型的制造方法，其特征在于，3D打印的成型工艺为FDM、SLS、POLYJET、MJF、SLA中的至少一种。

8.一种权利要求1~7中任一项制造方法得到的制件在高性能或功能化注射成型制品上的应用。

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