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CN113182529A - 一种3d打印材料、其制备方法及打印方法 - Google Patents

一种3d打印材料、其制备方法及打印方法 Download PDF

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CN113182529A
CN113182529A CN202110407363.7A CN202110407363A CN113182529A CN 113182529 A CN113182529 A CN 113182529A CN 202110407363 A CN202110407363 A CN 202110407363A CN 113182529 A CN113182529 A CN 113182529A
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binder
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CN202110407363.7A
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熊义松
陆腾轩
邓欣
孟晓燕
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Guangdong University of Technology
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Abstract

本发明公布一种专用于挤出式3D打印的材料，按照体积分数计，包括金属粉末47%‑80%以及粘结剂20%‑53%。所述3D打印材料的制备方法包括以下步骤：将金属粉末和粘结剂按比例混合后置于密炼机混料成喂料；将所述喂料进行造粒。所述3D打印材料可通过挤出式打印机打印成模坯，经脱脂、烧结后得到机械性能优异，结构致密的金属制品。本发明技术方案公布的3D打印材料打印时进料方便、出料均匀、成本低廉、工艺简单以及方便运输。

Description

一种3D打印材料、其制备方法及打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种3D打印材料、其制备方法及打印方法。
技术背景
3D打印技术，也称增材制造技术，基本原理是通过打印或铺设连续的材料层来产生三维物体。3D打印技术主要包括熔融沉积成型 (FDM)、光固化立体成型(SLA)、分层实体制造(LOM)、激光选区熔化(SLM)、电子束选区熔化 (EBM)等。目前国内外金属粉末3D打印普遍采用大功率激光或者电子束选区熔化成型，该方法存在加工设备昂贵、加工时间长、可打印材料种类受限等问题，并且对金属粉末的流动性、粒径、形状等要求较高，大大的增加了加工成本。因此将粘合剂材料和金属粉末混合熔融挤出成型的间接3D打印技术逐渐发展起来。该打印技术具有加工成本低，加工精度高，可成形材料多，可加工复杂零件等优点。目前可采用熔融挤出式3D打印技术打印的金属复合材料主要存在的问题是粘结剂材料和金属粉末相容性不好导致打印过程中熔体流动性不好，打印过程不稳定，打印成型物体的结构强度低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种3D打印材料，金属粉末和粘合剂相容性好且成本低廉，提高打印过程中进出料的稳定性、均匀性和增加3D打印材料的多样性。
为实现上述目的，本发明提供一种3D打印材料，按照体积分数计，包括金属粉末47%-80%以及粘结剂20%-53%。其中粘结剂包含以下质量分数的组分：50%-60%微晶蜡、10%-30%乙烯-醋酸乙烯共聚物、15%-30%低密度聚乙烯、3%-10%硬脂酸。
优选地，所述金属粉末的等效粒径0.01
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
-200
Figure 962383DEST_PATH_IMAGE002
，更优选地，所述金属粉末的等效粒径0.5-100μm，更优选地，所述金属粉末的等效粒径2-50μm，最优选地，所述金属粉末的等效粒径5-20μm，所述金属粉末包括但不限于304SS、316LSS、316SS、420SS或硬质合金金属的粉末。
优选地，粘结剂还包括质量分数5-15%的聚乙烯蜡。聚乙烯蜡是一种高分子蜡，熔点和低密度聚乙烯接近，具有较好的分散润滑作用，在喂料密炼过程中，可以提高各组分的相容性。
优选地，所述的材料形状为不规则颗粒，等效粒径范围为8-12目。
本发明还提供了一种上述3D打印材料的制备方法，步骤包括：
S1.将金属粉末和粘结剂以体积比47：53-60：40的比例混合，将所述混合料用密炼机混料成喂料；
S2.将步骤S1制备的所述喂料进行造粒。
优选地，所述密炼机的密炼温度为160℃-200℃，密炼时间为60min-300min。步骤（2）造粒之后所得材料形状为不规则颗粒，等效粒径范围为8-12目。
更优选地，所述密炼机的密炼温度为165℃-180℃，密炼时间为120min-200min。
本发明还提供了一种上述3D打印材料的打印方法，包括以下步骤：
SA.将所述3D打印材料进行干燥处理后置于粉末挤出式打印机供料槽中；
SB.调节步骤SA中所述打印机工艺参数，选择打印模型，进行打印，获得模胚。
优选地，所述粉末挤出式打印机的打印温度100℃-110℃，打印底板温度50-80℃。
本发明还提供一种使用上述打印方法得到的3D打印模坯，所述模坯经脱脂、烧结后得到致密的金属制品。脱脂方式为氢气脱脂、真空脱脂或溶剂脱脂。烧结方式为真空烧结、微波烧结或气压烧结。根据3D打印材料的热失重测试，确定具体脱脂和烧结工艺条件。
本发明提供的3D打印材料对金属粉末的等效粒径范围要求广，且粉末形状要求度低，该3D打印材料在高温熔融后流动性好，打印过程中具有稳定出料量。金属粉末和粘结剂体系相容性好，粘结剂粘结性高，得到的打印制品具有一定的机械强度。本发明提供的3D打印方法，大大缩短制品周期，是一种快速成型、成本低廉的金属3D打印技术。
附图说明
图1为本发明3D打印材料成型的流程示意图；
图2为使用本发明材料所打印制品的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
本发明提供一种3D打印材料。
如图1所示，先制备打印材料，以体积分数计，将金属粉末47%-80%以及粘结剂20%-53%的比例混合制成喂料，再将喂料制成颗粒料。
进一步地，金属粉末的等效粒径0.01
Figure 410682DEST_PATH_IMAGE002
-200
Figure 846212DEST_PATH_IMAGE002
，更优选地，所述金属粉末的等效粒径0.5-100μm，更优选地，所述金属粉末的等效粒径2-50μm，最优选地，所述金属粉末的等效粒径5-20μm，所述金属粉末包括但不限于304SS、316LSS、316SS、420SS或硬质合金金属的粉末。所述粘结剂包含以下质量分数的组分：50%-60%微晶蜡、10%-30%乙烯-醋酸乙烯共聚物、15%-30%低密度聚乙烯、3%-10%硬脂酸。更进一步地，粘结剂还包括质量分数5-15%的聚乙烯蜡。
金属粉末与粘结剂通过密炼机在高温的情况下密炼混合，密炼温度为160℃-200℃，密炼时间为60min-300min，确保混合喂料不结团、均匀且无分层。混合喂料再通过造粒机将喂料制成等效尺寸为8-12目的颗粒料。本实施例所采用的粘结剂为微晶蜡、高分子蜡和高分子粘结剂混合物，固化后具有一定的机械强度。
再将所制得的3D打印材料进行3D打印：挤出式打印机利用上述所得的颗粒料通过进料口打印制品。详细地，挤出式打印机的喷头温度设置为100℃-110℃，打印基板温度设置为50℃-80℃。基板温度一般比喷头温度低40℃-50℃。基板温度过低导致打印制品底面由于残余应力的作用翘边，基板温度过高导致打印制品保形度低。挤出式打印机以SOLIDWORKS、UG和CAD等制图软件导出为STL格式的文件导入到打印切片软件中最终以G代码文件输入给打印机，打印机执行打印命令对材料进行逐层打印后得到3D打印模坯。
然后再将3D打印模坯进行脱脂、烧结。详细地，脱脂方式为氢气脱脂、真空脱脂或溶剂脱脂。以真空脱脂为例，在真空环境下(真空度1-5Pa)，以3℃/min的升温速率从室温升至350℃左右，再以1℃/min的升温速率从350升至500℃左右并且保温30-60min。保温时间根据打印制品尺寸大小和壁厚而定，尺寸大，壁厚厚，保温时间就更长。脱脂的目的在于：减少烧结时长、减少能耗、烧结成本及去除粘结剂高分子材料。本发明提供的3D打印材料采用优化的粘结剂和金属粉末配方，提高金属粉末的装载率，减少粘合剂用量，在脱脂时可降低脱脂时间和能耗。
下面将结合具体实施例，详细说明本发明的3D打印材料及其制备、打印方法，具体实施例如下：
实施例1
一种3D打印材料，包括：33.3g微晶蜡（密度是0.925g/cm3）、6.7g乙烯-醋酸乙烯共聚物（密度是0.96g/cm3）、20g低密度聚乙烯（密度是0.93g/cm3）、6.7g硬脂酸（密度是0.96g/cm3）以及1330g粉末粒径为5-20
Figure DEST_PATH_IMAGE004
（5
Figure 179104DEST_PATH_IMAGE004
和20
Figure 524635DEST_PATH_IMAGE004
两种粉末以体积比1:1混合）的316不锈钢粉末（理论密度是7.98g/cm3）。
一种上述3D打印材料的制备方法，包括：将上述材料加入密炼机中以200℃密炼300min得到喂料，然后再用造粒机造出等效尺寸为12目的颗粒料。
实施例2
一种3D打印材料，包括：45.5g微晶蜡（密度是0.925g/cm3）、27.3g乙烯-醋酸乙烯共聚物（密度是0.96g/cm3）、13.6g低密度聚乙烯（密度是0.93g/cm3）、4.5g硬脂酸（密度是0.96g/cm3）以及1160g粉末粒径为0.01-200
Figure 504354DEST_PATH_IMAGE004
（0.01
Figure 302546DEST_PATH_IMAGE004
和200
Figure 907971DEST_PATH_IMAGE004
两种粉末以体积比1:1混合）的316不锈钢粉末（理论密度是7.98g/cm3）。
一种上述3D打印材料的制备方法，包括：将上述材料加入密炼机中以200℃密炼120min得到喂料，然后再用造粒机造出等效尺寸为12目的颗粒料。
实施例3
一种3D打印材料，包括：27.3g微晶蜡（密度是0.925g/cm3）、4.5g乙烯-醋酸乙烯共聚物（密度是0.96g/cm3）、9.1g低密度聚乙烯（密度是0.93g/cm3）、2.3g硬脂酸（密度是0.96g/cm3）、2.3g聚乙烯蜡（密度是0.93g/cm3）以及1560g粉末粒径为0.5-100
Figure 108008DEST_PATH_IMAGE004
（0.5
Figure 757164DEST_PATH_IMAGE004
、50
Figure 42652DEST_PATH_IMAGE004
和100
Figure 186188DEST_PATH_IMAGE004
三种粉末以体积比1:1:1混合）的316不锈钢粉末（理论密度是7.98g/cm3）。
一种上述3D打印材料的制备方法，包括：将上述材料加入密炼机中以200℃密炼180min得到喂料，然后再用造粒机造出等效尺寸为12目的颗粒料。
实施例4
一种3D打印材料，包括：33.3g微晶蜡（密度是0.925g/cm3）、8g乙烯-醋酸乙烯共聚物（密度是0.96g/cm3）、13.3g低密度聚乙烯（密度是0.93g/cm3）、2g硬脂酸（密度是0.96g/cm3）、10g聚乙烯蜡（密度是0.93g/cm3）以及1330g粉末粒径为5-20
Figure 240732DEST_PATH_IMAGE004
的316不锈钢粉末（理论密度是7.98g/cm3）
一种上述3D打印材料的制备方法，包括：将上述材料加入密炼机中以160℃密炼180min得到喂料，然后再用造粒机造出等效尺寸为8目的颗粒料。
实施例5
一种3D打印材料，包括：67.6g微晶蜡（密度是0.925g/cm3）、26.2g乙烯-醋酸乙烯共聚物（密度是0.96g/cm3）、26.2g低密度聚乙烯（密度是0.93g/cm3）、3.9g硬脂酸（密度是0.96g/cm3）以及935g粉末粒径为5-
Figure DEST_PATH_IMAGE006
的316不锈钢粉末（理论密度是7.98g/cm3）。
一种上述3D打印材料的制备方法，包括：将上述材料加入密炼机中以166℃密炼60min得到喂料，然后再用造粒机造出等效尺寸为10目的颗粒料。
实施例6
一种3D打印材料，包括：60.8g微晶蜡（密度是0.925g/cm3）、23.6g乙烯-醋酸乙烯共聚物（密度是0.96g/cm3）、23.6g低密度聚乙烯（密度是0.93g/cm3）、3.5g硬脂酸（密度是0.96g/cm3）以及1430g粉末粒径为2-50
Figure 358992DEST_PATH_IMAGE004
的316不锈钢粉末（理论密度是7.98g/cm3）。
一种上述3D打印材料的制备方法，包括：将上述材料加入密炼机中以166℃密炼120min得到喂料，然后再用造粒机造出等效尺寸为10目的颗粒料。
实施例7
一种3D打印材料，包括：72g微晶蜡（密度是0.925g/cm3）、12g乙烯-醋酸乙烯共聚物（密度是0.96g/cm3）、24g低密度聚乙烯（密度是0.93g/cm3）、6g硬脂酸（密度是0.96g/cm3）、6g聚乙烯蜡（密度是0.93g/cm3）以及1820g粉末粒径为5
Figure 272721DEST_PATH_IMAGE004
的WC和5
Figure 813424DEST_PATH_IMAGE004
Co所混合WC-Co粉末（Co含量为13wt%，理论密度是14.24g/cm3）。
一种上述3D打印材料的制备方法，包括：将上述材料加入密炼机中以170℃密炼200min得到喂料，然后再用造粒机造出等效尺寸为10目的颗粒料。
实施例8
一种3D打印材料的打印方法，包括：将实施例1、2、4中得到的任一种3D打印材料，使用挤出式3D打印机，配合UPRISE 3D切片软件和SOLID WORKS三维绘图软件以层厚0.1mm，打印速度30mm/s，打印温度100℃，热床温度50℃，材料指数4.2，喷嘴孔径0.4mm，回退补偿1.05mm为关键参数打印图2蜂窝模型。
实施例9
一种3D打印材料的打印方法，包括：将实施例3或7中得到的3D打印材料，使用挤出式3D打印机，配合UPRISE 3D切片软件和SOLID WORKS三维绘图软件以层厚0.3mm，打印速度30mm/s，打印温度110℃，热床温度80℃，材料指数4.2，喷嘴孔径0.8mm，回退补偿1.05mm为关键参数打印图2蜂窝模型。
实施例10
一种3D打印材料的打印方法，包括：将实施例5或6中得到的3D打印材料，使用挤出式3D打印机，配合UPRISE 3D切片软件和SOLID WORKS三维绘图软件以层厚0.2mm，打印速度30mm/s，打印温度100℃，热床温度75℃，材料指数4.2，喷嘴孔径0.6mm，回退补偿1.05mm为关键参数打印图2蜂窝模型。
实施例11
一种3D打印材料的打印方法，包括：利用实施例6或7中的3D打印材料，将生坯进行真空脱脂、烧结后得到致密的金属零件。
性能测试
测试3D打印材料的使用效果，分别以实施例6、7所制得的材料为3D打印材料，以挤出式打印机打印三点弯曲测试样条生坯，打印模型尺寸20*6.5*5.5mm（长*宽*高），以跨距为15mm和0.5mm/min为测试条件得到的结果为：实施例6所述打印材料生坯的弯曲强度为8.5MPa，实施例7所述打印材料生坯的弯曲强度为32.5MPa，上述两种材料强度适合生坯的取放和运输。因此，所述3D打印材料具有良好的使用性能。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。需注意的是，本发明中所未详细描述的技术特征，均可以通过本领域任一现有技术实现。

Claims (10)

1.一种3D打印材料，按照体积分数计，包括金属粉末47%-80%以及粘结剂20%-53%，其特征在于，所述粘结剂包含以下质量分数的组分：50%-60%微晶蜡、10%-30%乙烯-醋酸乙烯共聚物、15%-30%低密度聚乙烯、3%-10%硬脂酸。
2.如权利要求1所述的3D打印材料，其特征在于，所述金属粉末的等效粒径为0.01
Figure DEST_PATH_IMAGE002
-200
Figure 197770DEST_PATH_IMAGE002
，所述金属粉末包括304SS、316LSS、316SS、420SS、硬质合金金属粉末中的任一种。
3.如权利要求1所述的3D打印材料，其特征在于，按照质量分数计，所述粘结剂还包括质量分数5-15%的聚乙烯蜡。
4.如权利要求1所述的3D打印材料，其特征在于，所述材料形状为不规则颗粒，等效粒径范围为8-12目。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的3D打印材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将金属粉末和粘结剂以体积比47：53-60：40的比例混合，将所述混合料用密炼机混料成喂料；
S2.将步骤S1制备的所述喂料进行造粒。
6.如权利要求5所述的3D打印材料的制备方法，其特征在于，所述密炼机的密炼温度为160℃-200℃，密炼时间为60min-300min。
7.如权利要求5所述的3D打印材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2造粒之后所得材料形状为不规则颗粒，等效粒径范围为8-12目。
8.一种如权利要求1-4任一项所述的3D打印材料的打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
SA.将所述3D打印材料进行干燥处理后置于挤出式打印机供料槽中；
SB.调节步骤SA中所述打印机工艺参数，选择打印模型，进行打印，获得模胚。
9.如权利要求8所述的3D打印材料的打印方法，其特征在于，所述挤出式打印机的喷嘴温度为100℃-110℃，打印底板温度为50-80℃。
10.如权利要求9所述的3D打印材料的打印方法，其特征在于，还包括将所述模坯经脱脂、烧结后得到致密的金属制品。
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