CN115946341A - 一种磁性复杂三维结构3d打印材料及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及磁性复杂三维结构3D打印，更具体地说是一种磁性复杂三维结构3D打印材料及方法，该方法为S1：制备非磁性光敏树脂；S2：纳米级Fe3O4磁性粒子与非磁性光敏树脂均匀混合，获得磁性光敏树脂；S3：采用面投影3D打印中的连续液态界面成形工艺对磁性光敏树脂实现快速成型，先滴入非磁性光敏树脂至特氟龙透氧窗口中心，成型基底向下移动并与特氟龙透氧窗口相接，将非磁性光敏树脂压缩为一极薄层，获得具有粘附效果的初始固化层；S4：将磁性光敏树脂放置在树脂池内，对磁性光敏树脂进行光固化连续3D打印，以获得磁性复杂三维结构。可以解决现有面投影光固化3D打印技术在制造磁性复杂三维结构时面临的难以成型和效率低下等问题。
Description
技术领域
本发明涉及磁性复杂三维结构3D打印，更具体地说是一种磁性复杂三维结构3D打印材料及方法。
背景技术
面投影光固化3D打印作为主流增材制造技术，在结构复杂性、材料多样性、尺度跨越性、功能集成性等方面具有独特优势，既能实现微纳尺度特征结构的成形，又能实现复杂三维空间结构的制造，在微细、微纳尺度功能器件制造中极具应用潜力。
然而，受限于材料功能和工艺路线，现有面投影光固化3D打印在磁性复杂三维结构制造过程中仍面临许多问题。在材料方面，主要集中于磁性微纳粒子极易发生团聚与沉降，所制备的磁性光敏树脂稳定性差且固含量低。在工艺方面，现有面投影光固化3D打印速度慢，磁性光敏树脂稳定性差极易影响成型，制造工艺难以实现磁性复杂三维空间结构成型。
发明内容
本发明的目的是提供磁性复杂三维结构3D打印材料及方法，可以解决现有面投影光固化3D打印技术在制造磁性复杂三维结构时面临的难以成型和效率低下等问题。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种磁性复杂三维结构3D打印方法，该方法包括以下步骤：
S1：将聚氨酯丙烯酸酯作为低聚物、以聚乙二醇二丙烯酸酯为稀释剂、以二酰基膦氧化物作为光引发剂按比例充分混合制备非磁性光敏树脂；
S2：纳米级Fe3O4磁性粒子与非磁性光敏树脂均匀混合，获得磁性光敏树脂；
S3：采用面投影3D打印中的连续液态界面成形工艺对磁性光敏树脂实现快速成型，先滴入非磁性光敏树脂至特氟龙透氧窗口中心，成型基底向下移动并与特氟龙透氧窗口相接，将非磁性光敏树脂压缩为一极薄层，获得具有粘附效果的初始固化层；
S4：将磁性光敏树脂放置在树脂池内，对磁性光敏树脂进行光固化连续3D打印，以获得磁性复杂三维结构；
所述纳米级Fe3O4磁性粒子的粒径为20纳米；
所述磁性光敏树脂中纳米级Fe3O4磁性粒子在非磁性光敏树脂中的质量分数为20％-50％；
所述S1中光敏树脂的制备包括以下步骤：
S11：通过50℃超声震荡1小时，将聚氨酯丙烯酸酯与聚乙二醇二丙烯酸酯充分混合，形成混合低聚物；
所述聚氨酯丙烯酸酯与聚乙二醇二丙烯酸酯质量比为5：1至5：4；
S12：通过机械搅拌30分钟并30℃超声震荡30分钟，将混合低聚物与二酰基膦氧化物进一步充分混合，获得非磁性光敏树脂；
所述混合低聚物与二酰基膦氧化物的质量比为36：1至24：1；
所述S2中纳米级Fe3O4磁性粒子与非磁性光敏树脂均匀混合包括以下步骤：
S21：通过机械研磨方式，初步将纳米级Fe3O4磁性粒子与非磁性光敏树脂相混合；
S22：通过机械搅拌30分钟与20℃超声震荡30分钟，使纳米级Fe3O4磁性粒子与非磁性光敏树脂进一步充分混合，得到初始磁性光敏树脂；
S23：将初始磁性光敏树脂常温条件下放置于真空箱30分钟，消除机械搅拌产生的大量气泡，得到均匀稳定且可打印的磁性光敏树脂；
所述S3中连续液态界面成形工艺包括以下步骤：
S31：特氟龙透氧窗口可利用氧气与自由基的结合抑制该区域内的光固化反应，在靠近特氟龙透氧窗口表面的磁性光敏树脂处形成氧阻聚区域；
S32：氧阻聚区域避免了磁性光敏树脂固化粘附于特氟龙透氧窗口，打印基底无需往复提拉进行分离，实现连续提拉的高速光固化增材制造；
所述S4中磁性光敏树固化成型包括以下步骤：
S41：磁性光敏树脂中混合低聚物和二酰基膦氧化物在投影光的光照能量激发进行聚合反应下形成高分子长链，磁性光敏树脂由液态转变为固态，形成磁性复杂三维样件。
所述树脂池内设置有打印基底，树脂池的下方设置有用于发出投影光的投影光机，树脂池内部装有特氟龙透氧窗口。
一种磁性复杂三维结构3D打印材料，该材料由纳米级Fe3O4磁性粒子与非磁性光敏树脂均匀混合后制成，获得具备磁性的3D打印材料，利用连续液态界面成形工艺对磁性光敏树脂实现快速成型，使得3D固化打印后的复杂三维样件具备良好的磁性。
本发明的有益效果为：
采用纳米级Fe3O4磁性粒子与非磁性光敏树脂混合的方式来获得整体磁性，采用连续液态界面成形工艺打印磁性光敏树脂，无需打印基底往复提拉进行分离，可以有效解决现有技术中的磁性复合结构3D打印方法精度损失大、操作复杂、效率低下的问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明的3D打印装置结构示意图；
图2是本发明的磁性光敏树脂固化示意图；
图中：打印基底1；树脂池2；磁性光敏树脂3；3-1混合低聚物；3-2二酰基膦氧化物；3-3纳米级Fe3O4磁性粒子；3-4高分子长链；初始固化层4；投影紫外光5；投影光机6；特氟龙透氧窗口7；氧阻聚区域8；磁性复杂三维样件9。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
一种磁性复杂三维结构3D打印方法，该方法包括以下步骤：
S1：将聚氨酯丙烯酸酯作与聚乙二醇二丙烯酸酯混合制备混合低聚物3-1、将二酰基膦氧化物3-2作为光引发剂按比例充分混合制备非磁性光敏树脂；
S11：通过50℃超声震荡1小时，将聚氨酯丙烯酸酯与聚乙二醇二丙烯酸酯充分混合，形成混合低聚物3-1；
S12：通过机械搅拌30分钟并30℃超声震荡30分钟，将混合低聚物3-1与二酰基膦氧化物3-2进一步充分混合，获得非磁性光敏树脂；
S2：纳米级Fe3O4磁性粒子3-3与非磁性光敏树脂均匀混合，获得磁性光敏树脂3；纳米级Fe3O4磁性粒子3-3的粒径为20纳米；磁性光敏树脂中纳米级Fe3O4磁性粒子3-3在非磁性光敏树脂中的质量分数为40％；
S21：通过机械研磨方式，初步将纳米级Fe3O4磁性粒子3-3与非磁性光敏树脂相混合；
S22：通过机械搅拌30分钟与20℃超声震荡30分钟，使纳米级Fe3O4磁性粒子3-3与非磁性光敏树脂进一步充分混合，得到初始磁性光敏树脂3；
S23：将初始磁性光敏树脂3常温条件下放置于真空箱30分钟，消除机械搅拌产生的大量气泡，得到均匀稳定且可打印的磁性光敏树脂3；
S3：采用面投影3D打印中的连续液态界面成形工艺对磁性光敏树脂3实现快速成型，先滴入非磁性光敏树脂至特氟龙透氧窗口7中心，成型基底1向下移动并与特氟龙透氧窗口7相接，将非磁性光敏树脂压缩为一极薄层，获得具有粘附效果的初始固化层4；
S31：特氟龙透氧窗口7可利用氧气与自由基的结合抑制该区域内的光固化反应，在靠近特氟龙透氧窗口7表面的磁性光敏树脂处形成氧阻聚区域8；氧阻聚区域避免了磁性光敏树脂固化粘附于特氟龙透氧窗口，打印基底无需往复提拉进行分离，实现连续提拉的高速光固化增材制造；
S4：将磁性光敏树脂放置在树脂池2内，对磁性光敏树脂3进行光固化连续3D打印，以获得磁性复杂三维样件9；
S41：磁性光敏树脂中混合低聚物和二酰基膦氧化物3-2在投影光5的光照能量激发进行聚合反应下形成高分子长链3-4，磁性光敏树脂3由液态转变为固态，形成磁性复杂三维样件9。
如图1所示，为了方便磁性复杂三维结构3D打印方法的实施，设计一种连续液态界面成形3D打印装置，该装置包括树脂池2，所述树脂池2内设置有打印基底1，树脂池3的下侧设置有用于发出投影紫外光5的投影光机6，树脂池2内部设置有特氟龙透氧窗口7，所述的特氟龙透氧窗口7可利用氧气与自由基的结合抑制该区域内的光固化反应，在靠近特氟龙透氧窗口7表面的磁性光敏树脂3处形成氧阻聚区域8，所述的氧阻聚区域8避免了磁性光敏树脂3固化粘附于特氟龙透氧窗口，打印基底1无需往复提拉进行分离，实现连续提拉的高速光固化增材制造，投影光机6通过计算机控制投影出具有预期打印形状的投影紫外光5，所述打印形状取决于打印模型的逐层切片形状，投影紫外光5透过特氟龙透氧窗口7形成的氧阻聚区域8照射在磁性光敏树脂3表面固化材料，所述的磁性光敏树脂3中混合低聚物3-1和二酰基膦氧化物3-2在投影紫外光5的光照能量激发进行聚合反应下形成高分子长链，磁性光敏树脂由液态转变为固态，形成一层固体磁性样件在打印基底1上，所述的打印基底1同步连续提拉实现3D打印层层累加成形，最终形成具有复杂三维结构的磁性复杂三维样件9。
一种电磁功能复合结构3D打印材料，该材料由纳米级Fe3O4磁性粒子3-3和非磁性光敏树脂均匀混合后制成，获得整体上具备磁性3D打印材料，所述的磁性光敏树脂3中混合低聚物3-1和二酰基膦氧化物3-2在投影紫外光5的光照能量激发进行聚合反应下形成高分子长链3-4，磁性光敏树脂3由液态转变为固态，如图2所示，形成磁性复杂三维样件9。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种磁性复杂三维结构3D打印方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：将聚氨酯丙烯酸酯与聚乙二醇二丙烯酸酯混合制备混合低聚物(3-1)、将二酰基膦氧化物(3-2)作为光引发剂按比例充分混合制备非磁性光敏树脂；
S2：纳米级Fe3O4磁性粒子(3-3)与非磁性光敏树脂均匀混合，获得磁性光敏树脂(3)；
S3：采用面投影3D打印中的连续液态界面成形工艺对磁性光敏树脂(3)实现快速成型，先滴入非磁性光敏树脂至特氟龙透氧窗口(7)中心，成型基底(1)向下移动并与特氟龙透氧窗口(7)相接，将非磁性光敏树脂压缩为一极薄层，获得具有粘附效果的初始固化层(4)；
S4：将磁性光敏树脂放置在树脂池(2)内，对磁性光敏树脂(3)进行光固化连续3D打印，以获得磁性复杂三维结构样件(9)。
2.根据权利要求1所述的一种磁性复杂三维结构3D打印方法，其特征在于：所述纳米级Fe3O4磁性粒子(3-3)的粒径为20纳米，磁性光敏树脂(3)中纳米级Fe3O4磁性粒子(3-3)在非磁性光敏树脂中的质量分数为20％-50％。
3.根据权利要求1所述的一种磁性复杂三维结构3D打印方法，其特征在于：所述S1中非磁性光敏树脂的制备包括以下步骤：
S11：通过50℃超声震荡1小时，将聚氨酯丙烯酸酯与聚乙二醇二丙烯酸酯充分混合，形成混合低聚物(3-1)；
S12：通过机械搅拌30分钟并30℃超声震荡30分钟，将混合低聚物(3-1)与二酰基膦氧化物(3-2)进一步充分混合，获得非磁性光敏树脂。
4.根据权利要求2所述的一种磁性复杂三维结构3D打印方法，其特征在于：所述聚氨酯丙烯酸酯与聚乙二醇二丙烯酸酯质量比为5：1至5：4，混合低聚物与二酰基膦氧化物(3-2)的质量比为36：1至24：1。
5.根据权利要求1所述的一种磁性复杂三维结构3D打印方法，其特征在于：所述S2中纳米级Fe3O4磁性粒子(3-3)与非磁性光敏树脂均匀混合包括以下步骤：
S21：通过机械研磨方式，初步将纳米级Fe3O4磁性粒子(3-3)与非磁性光敏树脂相混合；
S22：通过机械搅拌30分钟与20℃超声震荡30分钟，使纳米级Fe3O4磁性粒子(3-3)与非磁性光敏树脂进一步充分混合，得到初始磁性光敏树脂(3)；
S23：将初始磁性光敏树脂(3)常温条件下放置于真空箱30分钟，消除机械搅拌产生的大量气泡，得到均匀稳定且可打印的磁性光敏树脂(3)。
6.根据权利要求1所述的一种磁性复杂三维结构3D打印方法，其特征在于：所述S3中连续液态界面成形工艺包括以下步骤：
S31：特氟龙透氧窗口(7)可利用氧气与自由基的结合抑制该区域内的光固化反应，在靠近特氟龙透氧窗口(7)表面的磁性光敏树脂处形成氧阻聚区域(8)。
7.根据权利要求1所述的一种磁性复杂三维结构3D打印方法，其特征在于：所述S4中磁性光敏树固化成型包括以下步骤：
S41：磁性光敏树脂中混合低聚物和二酰基膦氧化物(3-2)在投影光(5)的光照能量激发进行聚合反应下形成高分子长链(3-4)，磁性光敏树脂(3)由液态转变为固态，形成磁性复杂三维样件(9)。
8.一种电磁功能复合结构3D打印材料，其特征在于：该材料由纳米级Fe3O4磁性粒子(3-3)与非磁性光敏树脂均匀混合后制成，获得具备磁性的3D打印材料。
9.一种连续液态界面成形3D打印装置，其特征在于：该装置包括树脂池(2)，所述树脂池(2)内设置有打印基底(1)，树脂池(3)的下侧设置有用于发出投影紫外光(5)的投影光机(6)，树脂池(2)内部设置有特氟龙透氧窗口(7)，所述的特氟龙透氧窗口(7)可利用氧气与自由基的结合抑制该区域内的光固化反应形成氧阻聚区域(8)。
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