CN116039078A - 一种聚合物复合材料粉末床喷墨烧结3d打印的方法及其制件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚合物复合材料粉末床喷墨烧结3D打印的方法，包括对所要打印的粉体使用包覆材料进行包覆；三维模型进行计算机切片，得到每层截面的轮廓信息；将聚合物粉料装入铺料槽中，墨水装入与喷头相连的墨盒中，并对打印床进行预热；采用滚筒滚动铺料，喷头按照切片截面的图案进行喷墨粘合成型；打印床下降一定距离，重复粘合成型步骤，直到打印结束；对制件进行初步表面清洁处理后将其放入微波处理装置中进行进一步微波固化，成型。本发明采用先一步成型后结合微波处理的方法，能够避免每次打印完后光照固化的过程，提升生产速率，且微波处理之后的焊缝整体比现有技术中层层固化的焊缝小，也大大提升了其力学性能。
Description
技术领域
本发明属于3D打印制品技术领域，具体涉及一种聚合物复合材料粉末床喷墨烧结3D打印的方法以及采用该打印方法打印的制件。
背景技术
随着人类社会的发展，3D增材制造技术应运而生。3D打印技术以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。通过3D打印技术人们可以轻松实现复杂结构的一体成型。砂型3D打印是一种将细砂平铺后机器喷头根据所建模型切片的图案喷出粘接剂将其逐层粘接成型的技术，该技术大大缩短了砂型铸造的周期，降低了整体的工艺难度。
CN105665632A公开一种自适应砂型3D打印成形方法及装置，其主要是通过真空上料将型砂与固化剂混合，同时与不掺杂固化剂的型砂配合，按照所需结构进行两种型砂的铺设；后再由喷头按照打印砂型当前层截面信息，按需喷射树脂粘结剂，原砂中的固化剂与树脂粘结剂反应固化，层层铺砂，层层喷射粘结剂，最终完成砂型打印。但是该设备主要是用于无机材料(如细砂)的成型，该技术在聚合物方面的应用仍是空缺。同时固化后无其它处理，固化效果未知。
Composites Science and Technology，2011，72(1):85-90中公开了一种利用连续排列的碳纳米管薄膜充当热源网络，通过微波焊接技术来使聚乙烯熔化包裹在碳纳米管周围，形成均匀且高导电的CNT/PE纳米复合材料，具有良好的抗静电能力，CNT/PE的界面结合非常强。但是该文献公开的是微波技术应用于制作性能良好的复合材料，并未将其应用于砂型打印，也并未将微波技术应用于提升制件的整体制造速率。
基于上述分析，一种能够有效提高聚合物3D打印技术制件成型速率，得到的制件强度高的3D打印方法是目前行业内急需的。
发明内容
针对现有技术中3D打印技术制件成型速率慢，打印得到的制件焊缝大的技术问题，本发明首次将高分子材料与砂型3D打印结合，再经过进一步的微波后处理快速制得高强度的3D打印制件。本发明是通过如下技术手段实现的：
一种聚合物复合材料粉末床喷墨烧结3D打印的方法，包括：
(1)通过液相吸附沉积的方法在聚合物粉体的表面包覆上碳材料形成聚合物复合粉料；
(2)对所要打印的三维模型进行计算机切片，得到每层截面的轮廓信息；
(3)将聚合物复合粉料装入铺料槽中，墨水装入与喷头相连的墨盒中，固化剂装入与喷头相连的另一容器中，并对打印床进行预热；
(4)采用滚筒滚动铺料，喷头按照切片截面的图案进行喷墨；
(5)喷头进一步按照切片截面的图案喷出固化剂固化粘合成型；
(6)打印床下降一定距离，重复步骤(4)和步骤(5)的操作，直到打印结束；
(7)对制件进行初步表面清洁处理后，将其放入微波处理装置中进行进一步微波固化，成型，即得。
进一步的，步骤(1)所述聚合物粉体为所有能够进行3D打印的聚合物粉体。
进一步的，所述聚合物粉体粒径为5-500μm。
进一步的，所述聚合物粉体包括但不限于：聚氨酯粉体、聚乳酸粉体、聚丙烯粉体、尼龙粉体、聚醚醚酮粉体、ABS粉体、聚碳酸酯粉体、聚苯乙烯粉体、聚己内酯粉体、聚苯砜粉体。
进一步的，步骤(1)所述碳材料为碳纳米管、石墨烯、导电炭黑中的一种或几种。
进一步的，步骤(1)所述聚合物复合粉料包括但不仅限于：碳材料包覆聚氨酯复合粉体、碳材料包覆聚乳酸复合粉体、碳材料包覆聚丙烯复合粉体、碳材料包覆尼龙复合粉体、碳材料包覆聚醚醚酮复合粉体、碳材料包覆ABS复合粉体、碳材料包覆聚碳酸酯复合粉体、碳材料包覆聚苯乙烯复合粉体、碳材料包覆聚己内酯复合粉体、碳材料包覆聚苯砜复合粉体。
进一步的，步骤(3)所述墨水为具有粘合能力的墨水。
进一步的，所述墨水包括：呋喃树脂粘结剂、酚醛树脂粘结剂。
进一步的，步骤(3)所述固化剂为商用固化剂。
进一步的，步骤(6)所述一定距离为0.05-1mm。
进一步的，步骤(7)所述微波处理包括：射频微波处理以及电磁微波处理；所述微波处理功率为800-3000W，处理时间为10-300s。
本发明还公开了一种根据任一上述的聚合物复合材料粉末床喷墨烧结3D打印的方法打印的制件。
本发明的有益效果在于：
现有技术中铺粉打印时需要铺一层粉然后近红外光照升温固化一次，严重降低了打印效率，且打印过程中层与层之间的焊缝大，降低制件的力学性能，而采用先一步成型后结合微波处理的方法，能够避免每次打印完后近红外光照升温固化的过程，同时聚合物粉体表面包覆的碳材料有助于微波的吸收升温固化，提升生产速率，联合微波处理后，得到的制件焊缝整体比现有技术中层层固化的焊缝小，材料的缺陷减少，大大提升了其力学性能。
附图说明
图1为本发明的打印方法流程图。
图2为对比例1制得样条焊缝宽度扫描电镜图。
图3为实施例1制得样条焊缝宽度扫描电镜图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明做进一步描述。实施例的描述仅为便于理解和应用本发明，而非对本发明保护的限制。
实施例1：
一种聚合物复合材料粉末床喷墨烧结3D打印的方法，具体如下：
(1)通过液相吸附沉积的方法在聚合物粉体的表面包覆上碳材料形成聚合物复合粉料；
(2)对所要打印的三维模型进行计算机切片，得到每层截面的轮廓信息；
(3)将聚合物复合粉料装入铺料槽中，墨水装入与喷头相连的墨盒中，固化剂装入与喷头相连的另一容器中，并对打印床进行预热；
(4)采用滚筒滚动铺料，喷头按照切片截面的图案进行喷墨；
(5)喷头进一步按照切片截面的图案喷出固化剂固化粘合成型；
(6)打印床下降一定距离，重复步骤(4)和步骤(5)的操作，直到打印结束；
(7)对制件进行初步表面清洁处理后，将其放入微波处理装置中进行进一步微波固化，成型。
其中：聚合物粉体为聚氨酯粉体，粒径为100μm；碳材料为导电炭黑；聚合物复合粉料为导电炭黑包覆聚氨酯复合粉体；墨水为呋喃树脂粘结剂；固化剂为商用固化剂；下降距离为0.1mm；微波处理为射频微波处理，其功率在1000W，处理时间在30s。
实施例2：
一种聚合物复合材料粉末床喷墨烧结3D打印的方法，具体如下：
(1)通过液相吸附沉积的方法在聚合物粉体的表面包覆上碳材料形成聚合物复合粉料；
(2)对所要打印的三维模型进行计算机切片，得到每层截面的轮廓信息；
(3)将聚合物复合粉料装入铺料槽中，墨水装入与喷头相连的墨盒中，固化剂装入与喷头相连的另一容器中，并对打印床进行预热；
(4)采用滚筒滚动铺料，喷头按照切片截面的图案进行喷墨；
(5)喷头进一步按照切片截面的图案喷出固化剂固化粘合成型；
(6)打印床下降一定距离，重复步骤(4)和步骤(5)的操作，直到打印结束；
(7)对制件进行初步表面清洁处理后，将其放入微波处理装置中进行进一步微波固化，成型。
其中：聚合物粉体为尼龙粉体，粒径为150μm；碳材料为碳纳米管；聚合物复合粉料为碳纳米管包覆尼龙复合粉体；墨水为酚醛树脂粘结剂；固化剂为商用固化剂；下降距离为0.2mm；微波处理为射频微波处理，其功率在1200W，处理时间在120s。
实施例3：
一种聚合物复合材料粉末床喷墨烧结3D打印的方法，具体如下：
(1)通过液相吸附沉积的方法在聚合物粉体的表面包覆上碳材料形成聚合物复合粉料；
(2)对所要打印的三维模型进行计算机切片，得到每层截面的轮廓信息；
(3)将聚合物复合粉料装入铺料槽中，墨水装入与喷头相连的墨盒中，固化剂装入与喷头相连的另一容器中，并对打印床进行预热；
(4)采用滚筒滚动铺料，喷头按照切片截面的图案进行喷墨；
(5)喷头进一步按照切片截面的图案喷出固化剂固化粘合成型；
(6)打印床下降一定距离，重复步骤(4)和步骤(5)的操作，直到打印结束；
(7)对制件进行初步表面清洁处理后，将其放入微波处理装置中进行进一步微波固化，成型。
其中：聚合物粉体为聚丙烯粉体，粒径为200μm；碳材料为碳纳米管；墨水为呋喃树脂粘结剂；固化剂为商用固化剂；下降距离为0.2mm；微波处理为射频微波处理，其功率在1000W，处理时间在150s。
实施例4：
一种聚合物复合材料粉末床喷墨烧结3D打印的方法，具体如下：
(1)通过液相吸附沉积的方法在聚合物粉体的表面包覆上碳材料形成聚合物复合粉料；
(2)对所要打印的三维模型进行计算机切片，得到每层截面的轮廓信息；
(3)将聚合物复合粉料装入铺料槽中，墨水装入与喷头相连的墨盒中，固化剂装入与喷头相连的另一容器中，并对打印床进行预热；
(4)采用滚筒滚动铺料，喷头按照切片截面的图案进行喷墨；
(5)喷头进一步按照切片截面的图案喷出固化剂固化粘合成型；
(6)打印床下降一定距离，重复步骤(4)和步骤(5)的操作，直到打印结束；
(7)对制件进行初步表面清洁处理后，将其放入微波处理装置中进行进一步微波固化，成型。
其中：聚合物粉体为聚苯乙烯粉体，粒径为50μm；碳材料为石墨烯；聚合物复合粉料为石墨烯包覆聚苯乙烯复合粉体；墨水为呋喃树脂粘结剂；固化剂为商用固化剂；下降距离为0.4mm；微波处理为射频微波处理，其功率在1300W，处理时间在60s。
实施例5：
一种聚合物复合材料粉末床喷墨烧结3D打印的方法，具体如下：
(1)通过液相吸附沉积的方法在聚合物粉体的表面包覆上碳材料形成聚合物复合粉料；
(2)对所要打印的三维模型进行计算机切片，得到每层截面的轮廓信息；
(3)将聚合物复合粉料装入铺料槽中，墨水装入与喷头相连的墨盒中，固化剂装入与喷头相连的另一容器中，并对打印床进行预热；
(4)采用滚筒滚动铺料，喷头按照切片截面的图案进行喷墨；
(5)喷头进一步按照切片截面的图案喷出固化剂固化粘合成型；
(6)打印床下降一定距离，重复步骤(4)和步骤(5)的操作，直到打印结束；
(7)对制件进行初步表面清洁处理后，将其放入微波处理装置中进行进一步微波固化，成型。
其中：聚合物粉体为聚醚醚酮粉体，粒径为100μm；碳材料为石墨烯；聚合物复合粉料为石墨烯包覆聚醚醚酮复合粉体；墨水为酚醛树脂粘结剂；固化剂为商用固化剂；下降距离为1mm；微波处理为射频微波处理，其功率在2000W，处理时间在30s。
对比例1：
一种聚合物复合材料粉末床喷墨烧结3D打印的方法，具体如下：
(1)对所要打印的三维模型进行计算机切片，得到每层截面的轮廓信息；
(2)将聚合物粉料装入铺料槽中，墨水装入与喷头相连的墨盒中，并对打印床进行预热；
(3)采用滚筒滚动铺料，喷头按照切片截面的图案进行喷墨粘合成型；
(4)采用近红外光照对其进行升温固化处理；
(5)打印床下降一定距离，重复步骤(3)和步骤(4)，直到打印结束；
其中：聚合物粉料为聚氨酯粉体，粒径为200μm；墨水为导电炭黑混合呋喃树脂；近红外光照时间为60s；下降距离为0.1mm。
试验例1
测试：分别采用实施例1与对比例1条件打印1mm厚的样条进行力学性能测试，并记录其处理过程中所用时间，进行对比，结果如表1所示。
表1性能对比表
根据表1结果可知，采用整体粘合成型结合射频微波后处理的方法使得最终聚合物制件力学性能提升两倍左右，且大大缩短了整体制件的成型时间。通过图2和图3的扫描电镜结果对比能够明显看出经过微波烧结处理后的焊缝宽度明显减小。未经微波烧结处理的对比例1的焊缝宽度为87.94μm，经过微波烧结处理后的实施例1的焊缝宽度最宽只有2.293μm，焊缝宽度与样条内部缺陷明显减少。
综上所述，本发明采用先粉末床喷墨打印一步成型后微波烧结处理的方法，能够避免每一层打印完后需要近红外光升温固化的过程，提升了生产效率；同时经过微波烧结处理之后得到的制件内部焊缝相比于现有技术层层固化的焊缝明显减小，缺陷减少，是的力学性能显著提升。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种聚合物复合材料粉末床喷墨烧结3D打印的方法，包括：
(1)通过液相吸附沉积法在聚合物粉体表面包覆碳材料，形成聚合物复合粉料；
(2)对要打印的三维模型进行计算机切片，得到每层截面的轮廓信息；
(3)将聚合物复合粉料装入铺料槽中，墨水装入与喷头相连的墨盒中，固化剂装入与喷头相连的另一容器中，并对打印床进行预热；
(4)采用滚筒滚动铺料，喷头按照切片截面的图案进行喷墨；
(5)喷头进一步按照切片截面的图案喷出固化剂固化粘合成型；
(6)打印床下降一定距离，重复步骤(4)与步骤(5)的操作，直到打印结束；
(7)对制件表面进行清理，随后微波固化，成型，即得。
2.根据权利要求1所述的聚合物复合材料粉末床喷墨烧结3D打印的方法，其中：
步骤(1)所述聚合物粉体为所有能够进行3D打印的聚合物粉体，包括：
聚氨酯粉体、聚乳酸粉体、聚丙烯粉体、尼龙粉体、聚醚醚酮粉体、ABS粉体、聚碳酸酯粉体、聚苯乙烯粉体、聚己内酯粉体、聚苯砜粉体。
3.根据权利要求1所述的聚合物复合材料粉末床喷墨烧结3D打印的方法，其中：
步骤(1)所述碳材料为碳纳米管、石墨烯、导电炭黑中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的聚合物复合材料粉末床喷墨烧结3D打印的方法，其中：
步骤(1)所述聚合物复合粉料包括：
碳材料包覆聚氨酯复合粉体、碳材料包覆聚乳酸复合粉体、碳材料包覆聚丙烯复合粉体、碳材料包覆尼龙复合粉体、碳材料包覆聚醚醚酮复合粉体、碳材料包覆ABS复合粉体、碳材料包覆聚碳酸酯复合粉体、碳材料包覆聚苯乙烯复合粉体、碳材料包覆聚己内酯复合粉体、碳材料包覆聚苯砜复合粉体。
5.根据权利要求2所述的聚合物复合材料粉末床喷墨烧结3D打印的方法，其中：
所述聚合物粉体粒径为5-500μm。
6.根据权利要求1所述的聚合物复合材料粉末床喷墨烧结3D打印的方法，其中：
步骤(2)所述墨水为具有粘合能力的墨水，包括：
呋喃树脂粘结剂、酚醛树脂粘结剂中的一种或几种。
7.根据权利要求6所述的聚合物复合材料粉末床喷墨烧结3D打印的方法，其中：
步骤(2)所述固化剂为商用固化剂。
8.根据权利要求1所述的聚合物复合材料粉末床喷墨烧结3D打印的方法，其中：
步骤(4)所述一定距离为0.05-1mm。
9.根据权利要求1所述的聚合物复合材料粉末床喷墨烧结3D打印的方法，其中：
步骤(5)所述微波处理为：
射频微波处理；功率为800-3000W，时间为10-300s。
10.一种根据权利要求1～9任一所述的聚合物复合材料粉末床喷墨烧结3D打印的方法打印的制件。
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