一種基于明膠的3dp打印方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于明膠的3DP打印方法，屬于快速成型的材料領(lǐng)域，更具體的講，是一種用于3D打印中三維印刷(3DP)成型工藝的改性明膠材料及其工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]3D打印是最近媒體對增材制造的技術(shù)的“俗稱”。增材制造(additivemanufacturing AM)是依據(jù)三維CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，采用離散材料(液體、粉末、絲、片、板、塊等)逐層累加原理，制造實(shí)體零件的技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的材料去除-切削加工技術(shù)，是一種“自下而上”的制造方法。具體成形過程是:根據(jù)三維CAD模型，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)化后，對零件進(jìn)行分層切片，得到各層截面的兩維輪廓形狀。按照這些輪廓形狀，用噴射源選擇性地噴射一層層的粘結(jié)劑或用激光束選擇性的固化或燒結(jié)一層層粉末，或光固化一層層的液態(tài)光敏樹脂，形成每一層截面兩維的平面輪廓形狀，然后在一層層疊加成三維立體零件。近二十年來，增材制造取得了快速發(fā)展?，F(xiàn)廣泛應(yīng)用的工藝有:光固化技術(shù)、熔融沉積成型技術(shù)、激光選擇性燒結(jié)以及三維打印等。三維打印(3DP)作為增材制造的典型代表，被大量的應(yīng)用于醫(yī)療、建筑、制造、科學(xué)研究等領(lǐng)域。
[0003]三維打印技術(shù)(3DP)是麻省理工的研究人員開發(fā)出的一種增材制造技術(shù)。該項(xiàng)增材制造技術(shù)對每個(gè)層面進(jìn)行成形時(shí)，其加工工藝過程與普通的平面噴墨打印機(jī)相似，所以稱它為三維打印。3DP工藝原理是以某種材料的粉末為原料，鋪粉輥?zhàn)訉⒎勰┚鶆虻匿佋诔尚褪抑?，鋪粉完成后噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下在需要在成型區(qū)域噴灑一層粘結(jié)劑，粉末遇到粘結(jié)劑會迅速粘結(jié)固化，而沒有粘結(jié)劑的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。截面輪廓成型后，供粉室上升，成型室下降，鋪粉輥?zhàn)又匦落伔郏瑖婎^繼續(xù)按照相應(yīng)截面輪廓噴灑粘結(jié)劑，如此反復(fù)直至三維實(shí)體堆積完成，用粘接劑粘接的零件強(qiáng)度較低，還須后處理3DP可以制造出不同材料的零件，包括合金、陶瓷等，這些材料可以制備出具有不同特征的樣件，土耳其的Turker和德國的Godliski采用IN-718合金粉末進(jìn)行三維打印為快速模具制造出高密度的打印件；美國的KathyLu和William T等人使用TiNiHf形狀記憶合金粉末來打印網(wǎng)寬為300 μ m的細(xì)小網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的零件，得到了具有較高完整性和尺寸精度的打印件。專家預(yù)言3DP將掀起新一輪的工業(yè)革命，會改變?nèi)祟愇磥淼纳罘绞健?br>[0004]三維打印(3DP)能夠大大提高原材料的利用率、設(shè)備體積小、材料類型廣泛且原材料多以粉末的形式提供，易于搬運(yùn)等優(yōu)點(diǎn)。但一般粘結(jié)劑多為高分子材料，粘結(jié)劑成型時(shí)需要將粘結(jié)劑去除(如果粘結(jié)劑不脫除，后處理時(shí)會污染粉末材料)，脫除粘結(jié)劑時(shí)的溫度高(300-500度)，在脫除的過程中會產(chǎn)生有害物質(zhì)，以酚醛樹脂為例，在高溫情況下易分解產(chǎn)生一氧化碳和甲醛等，且在這個(gè)過程中成型件會產(chǎn)生收縮使得尺寸精度變差；另外粘結(jié)劑的脫除成型件內(nèi)會產(chǎn)生大小不一的孔隙影響零件的容重；也會因?yàn)檎辰Y(jié)劑脫除工藝不當(dāng)而產(chǎn)生炭黑、開裂等缺陷；并且用于三維印刷的粉末材料價(jià)格比較昂貴，這就促使我們尋找一種便于操作、環(huán)保、價(jià)格低廉的3DP打印材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)原料昂貴、粘結(jié)劑不易脫除，且粘結(jié)劑脫除產(chǎn)生的氣體污染環(huán)境的不足，本發(fā)明旨在提供一種基于明膠的3DP打印方法，它具有原料易得、價(jià)格低廉、固化劑環(huán)保安全且無需脫除等優(yōu)點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明包括以下步驟:
(1)、3DP打印材料的配制:是由以下粉末按質(zhì)量百分比混合而成:
明膠80%~90%
聚乙烯吡咯烷酮(PVP) 8%~13%
顏料 T4301%~5%
巴斯夫抗氧化劑1076 1~5%。
[0007]粉末粒徑范圍45 μ m-106 μ m，中值粒徑(D50)為75 μ m ;
(2)、用于噴頭噴射的固化劑由下述原料按容積百分比混合而成:
水94~97%
醋酸或甘油 3%~6%。
[0008](3)、3D 打印:
將粉末狀3DP打印材料放在供粉室，用鋪粉輥?zhàn)訉⒎勰┰诔尚褪抑芯鶆虻匿伋梢粚樱伔弁瓿珊?，噴頭(打印頭)在計(jì)算機(jī)的控制下在需要成型的區(qū)域噴灑一層固化劑(過程與普通的平面噴墨打印機(jī)相似)，粉末狀3DP打印材料遇到固化劑后迅速聚合固化，而沒有固化劑的部分仍保持松散狀態(tài)；截面成型后，供粉室上升一個(gè)截面厚度的距離，成型室下降一個(gè)截面厚度的距離，鋪粉輥?zhàn)又匦落伔?，噴頭(打印頭)繼續(xù)按照相應(yīng)截面輪廓噴灑固化劑，一層一層往上堆積，最后噴灑了固化劑的部分成型三維實(shí)體，此時(shí)成型的三維實(shí)體不牢固，須進(jìn)行后處理；所述固化劑和粉末材料的質(zhì)量比為0.6-0.7:1。
[0009]本發(fā)明中采用多點(diǎn)噴射的商用打印頭(惠普、愛普生)，能夠使固化劑在計(jì)算機(jī)的控制下均勻的噴射到需要成型的區(qū)域內(nèi)，利于控制固化劑與粉末材料的比例，對于固化劑與粉末材料的比例的控制可以通過調(diào)節(jié)打印頭X和Y方向移動速度、調(diào)節(jié)鋪粉厚度等方法來實(shí)現(xiàn)，使其在本專利要求的范圍內(nèi)，
(4)、后處理:
預(yù)加熱:將成型室整體放入加熱爐中進(jìn)行預(yù)加熱，預(yù)加熱的溫度為40°C ~45°C，預(yù)加熱的時(shí)間為30-60min，且在加熱過程中利用超聲波加濕器，使?fàn)t內(nèi)的濕度控制在80%_85%RH，然后用吸粉裝置將成型箱內(nèi)多余的粉末去除(多余的粉末可重復(fù)利用)，此過程是為了明膠更好的吸收水份，使其粉末顆粒表面變粘，粉末粘在一起，成型件初步成型。
[0010]模型加熱固化:將成型室內(nèi)的成型件取出放入加熱爐中進(jìn)行加熱，加熱的溫度為63°C ~67°C，加熱時(shí)間為120-180min，在加熱過程利用超聲波加濕器，使?fàn)t內(nèi)的濕度控95%-100%RH，此過程是為了明膠粉末充分吸水，固化定型。
明膠:是一種無色無味、無揮發(fā)性、透明堅(jiān)硬的非晶體物質(zhì)，一般情況下為白色或淡黃色、半透明、微帶光澤的薄片或粉粒。
[0011]聚乙烯吡咯烷酮簡稱PVP:是一種非離子型高分子化合物，是具有親水性、易流動、白色或近乎白色的粉末，極易溶于水。
[0012]顏料T430:為珠光粉，是一種光澤性顏料。無毒，無味，耐酸堿，不易燃，不易爆，不導(dǎo)電，不迀移，易分散，滿足嚴(yán)格的環(huán)保要求。
[0013]巴斯夫抗氧劑1076: