專利名稱：一種用于三維打印快速成型的材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于三維打印快速成型的材料及其制備方法，屬于快速選區(qū)成型 的材料領(lǐng)域，更具體的講，是一種用于三維打印快速選區(qū)成型的改性粉末材料A和粘結(jié)劑B 及其制備工藝。
背景技術(shù)：
快速成型技術(shù)是一種以離散\堆積成型為基本原理的新型數(shù)字化成型技術(shù)?；趪娚浼夹g(shù)的三維打印成型(Three Dimensional Printing，簡稱3DP)技術(shù)是 以噴頭作為成型源，其工作原理很像打印頭，不同點在于除噴頭能作X-Y水平平面運動外， 工作臺還能作Z方向的垂直運動；而且，噴頭吐出的材料不是墨水，而是熔化的熱塑性材料 或粘結(jié)劑等，因此可成型三維實體。多通道噴頭在機械手的控制下，按照截面輪廓的信息， 在鋪好的一層層粉末材料上，有選擇地噴射粘結(jié)劑，使部分粉末粘結(jié)，形成截面輪廓。一層 成型完成后，工作臺下降一截面層的高度，再進行下一層的鋪粉、噴射粘結(jié)劑，如此循環(huán)，最 終形成三維工件。3DP快速成型技術(shù)具有成型速度快，設備成本便宜，技術(shù)可靠等優(yōu)點。在現(xiàn)有的成型材料領(lǐng)域中，由于選擇性激光燒結(jié)(Selected Laser Sintering, 簡稱SLQ快速成型技術(shù)具有原料來源多樣和零件的構(gòu)建時間較短等優(yōu)點，故在快速成 型領(lǐng)域有著較廣泛的應用。因此，基于SLS工藝的成型材料較多，比如中國發(fā)明專利 CN1379061A(專利號02110361.5)介紹了一種用于激光燒結(jié)成型制品的尼龍粉末材料，通 過化學合成和工藝的改進，對尼龍粉末材料的表面進行不同的處理，得到了燒結(jié)性能優(yōu)良， 成型制品強度高，韌性好的產(chǎn)品，簡化了激光燒結(jié)尼龍材料的制備工藝，降低了成本。但SLS 工藝存在著的諸多不足嚴重限制了 SLS的進一步應用和普及；從而也使基于SLS工藝的成 型材料使用受到限制。3DP工藝與SLS工藝類似，均采用粉末材料選區(qū)成型，所不同的是3DP工藝的粉末 材料不是通過激光的層層燒結(jié)連接起來，而是在噴頭的作用下，用粘接劑(如硅膠)將零件 的截面信息“印刷”在粉末材料上面。由于3DP是通過噴頭噴灑粘結(jié)劑成型，避免了使用激 光等復雜昂貴的燒結(jié)設備，因此，3DP工藝顯著的降低了成型設備的采購和維護費用，減小 了快速成型設備的使用成本，利于快速成型技術(shù)的使用和推廣。3DP快速成型材料價格低，成型材料來源廣泛，易于彩色成型，用戶使用安全可靠； 但由于現(xiàn)有成型材料粉末粒徑較大，使薄壁零件不易成型，微小零件的成型精度不夠高，表 面存在較明顯的粗糙感；此外，由于粘結(jié)劑粘結(jié)不夠牢固，存在著成型件強度低等不足。此 外，當前市場上所售的基于3DP工藝的成型材料基本上被國外公司所壟斷，售價高昂，嚴重 制約3DP成型技術(shù)在我國的推廣和普及。本專利通過超細粉體技術(shù)，表面改性技術(shù)，對粉末材料進行表面分散改性，得到粒 徑位于微米級甚至亞微米級，且粒徑均一的粉末材料；并從粉末材料和粘結(jié)劑的配方研究 入手，得到的粉術(shù)材料和粘結(jié)劑產(chǎn)品，不僅有效提高了成型件的強度，也使薄壁微小零件的 成型在3DP快速成型機上的實現(xiàn)成為可能；此外，本專利提供的方法簡單，實效，成本相對較低，對打破國外公司對我國的市場壟斷有著明顯的促進作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種低成本，能夠有效的在三維打印機上快速成型的用 于三位打印快速成型的材料及其制備方法。該材料的制備方法簡單易行，原料獲取范圍廣 泛。本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)快速成型材料包括改性粉末材料A和粘結(jié)劑B，其中改性粉末材料A及其制備方 法包括如下步驟和工藝條件第一步，以質(zhì)量份數(shù)計，將1000份粉末材料與5000-10000份溶劑加入到高速運轉(zhuǎn) 的球磨機或研磨機中研磨l-2h，得到粉末材料預處理料；第二步，以質(zhì)量份數(shù)計，將1-20份表面活性劑，1-15份潤滑劑，5-100份有機樹脂 逐次加入到1000-5000份溶劑中，并攪拌分散2-池，得到改性液；第三步，將第一步制備得到的粉末材料預處理料與第二步制備得到的改性液混 合，放入研磨機中，常溫混合研磨2-10h，然后進行干燥，研磨粉碎，得到改性粉末材料A ；第一步中所述的粉末材料為以下種類中的一種(1)鹽類粉末，包括硅酸鹽，鋁酸 鹽，硫酸鹽和/或磷酸鹽；(2)金屬粉末，包括鐵粉，鋁粉和/或銅粉；(3)塑料粉末，包括聚 苯乙烯，聚碳酸酯和/或聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯；(4)蠟粉；所述溶劑為乙醇，丙酮，鄰 苯二甲酸二丁酯，丁醇，甘油，環(huán)己烷，異丁醇和/或水；第二步中所述的表面活性劑為聚氧乙烯醚，十二烷基苯磺酸鈉，聚氧乙烯脂肪胺， 司盤-60，聚氧乙烯烷基酰胺或聚氧乙烯烷基苯酚醚；所述潤滑劑為十八碳烷酸，十八碳烷 酸鈉，十八碳烷酸鐘，十八碳烷酸鈣，石蠟或磺酸鈉；所述有機樹脂為聚丙烯酸，聚丙烯酸甲 酯，聚丙烯酸乙酯，聚甲基丙烯酸丁酯，聚乙二醇，淀粉，聚乙烯吡咯烷酮和/或羥乙基纖維 素；所述溶劑為乙醇，丙酮，鄰苯二甲酸二丁酯，丁醇，甘油，異丁醇，乙二醇和/或水；第三步中所述的干燥方式為超臨界干燥或冷凍干燥。以上制作工藝步驟得到的改性粉末材料A性能穩(wěn)定，粒徑分布均勻，且粒徑在 500 lOOOnm。粘結(jié)劑B及其制備方法包括如下步驟和工藝條件以質(zhì)量份數(shù)計，將1000份溶劑， 0-15份顏料，1-10份樹脂逐次加入攪拌機中，常溫攪拌分散2-池，待分散均勻穩(wěn)定后，得到 粘結(jié)劑B ；所述溶劑為乙醇，丁醇，甘油，乙二醇，鄰苯二甲酸二丁酯，乙酸丁酯和/或環(huán)戊 烷；所述顏料為氧化鐵紅，鐵藍或碳粉黑；所述樹脂為聚丙烯酸，聚丙烯酸甲酯，聚丙烯酸 乙酯，聚甲基丙烯酸丁酯，聚乙二醇，聚乙烯吡咯烷酮和/或松香，分子量在5000 20000。使用時，以體積份數(shù)計，1份改性粉末材料A與0. 01 0. 07份粘結(jié)劑B配用。為進一步實現(xiàn)本發(fā)明目的，所述的改性粉末材料A的粒徑優(yōu)選為500 lOOOnm。所述的干燥的方式優(yōu)選超臨界干燥或冷凍干燥。所述的顏料優(yōu)選為氧化鐵紅、鐵藍或碳粉黑。一種用于三維打印快速成型的材料，由上述述方法制備。本發(fā)明所提供的快速成型材料，其在于所應用的范圍屬于三維打印快速成型 (3DP)領(lǐng)域。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果(1)改性粉末材料A可以達到微米級甚至亞微米級，且粉末粒徑均一，性質(zhì)穩(wěn)定； 由這種改性粉末材料A可以制造出微\亞微米級的薄壁模型或微小零部件，且制造出的產(chǎn) 品具有表面光潔度高，強度好，精度高，致密度高等特點。(2)由于粘結(jié)劑B具有粘結(jié)快速，粘結(jié)牢固，色澤可選的特點；由這種粘結(jié)劑可以 快速的制作出各種形狀，不同色澤的模型產(chǎn)品，且這種產(chǎn)品色澤穩(wěn)定，鮮艷，成型件固結(jié)，厚實。(3)改性粉末材料A和粘結(jié)劑B相互粘結(jié)牢，粘結(jié)作用時間短，復配效果佳。(4)將改性粉末材料A和粘結(jié)劑B作為三維打印快速成型機的成型原料，能夠有效 的在三維打印機上快速成型，可應用于多種不同型號的三維打印機。(5)本發(fā)明原料獲取范圍廣泛，制備方法簡單易行，成本低，有利于市場化的推廣。
具體實施例方式為更好理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明詳細的說明，但是本發(fā)明要求保護 的范圍并不局限于實施例表示的范圍。實施例1第一步取1千克硅酸鎂和5千克丙酮加入到轉(zhuǎn)速為5000轉(zhuǎn)/分鐘的研磨機中，研 磨Ih ；第二步將1克司盤-60，2克十八碳烷酸，50克聚丙烯酸加入到1千克丙酮中攪拌 分散I，得到改性液；第三步將第一步得到的粉末材料預處理料與第二步得到的改性液混合，放入研磨 機中，常溫混合研磨4h，然后進行超臨界干燥，將干燥后的物料研磨粉碎，即得改性粉末材 料A，產(chǎn)品粒徑700nm。實施例2第一步取0. 4千克硫酸鈉，0. 6千克磷酸鈣和1千克乙醇，9千克甘油加入到轉(zhuǎn)速 為6000轉(zhuǎn)/分鐘的研磨機中，研磨池；第二步將10克聚氧乙烯醚，1克磺酸鈉，100克聚丙烯酸甲酯加入到5千克乙醇中 攪拌分散Ι，得到改性液；第三步將第一步得到的粉末材料預處理料與第二步得到的改性液混合，放入研磨 機中，常溫混合研磨10h，然后進行超臨界干燥，將干燥后的物料研磨粉碎，即得改性粉末材 料A，產(chǎn)品粒徑900nm。實施例3第一步取0. 7千克硫酸鈣，0. 5千克硅酸鈣，0. 1千克磷酸鈣和2千克異丁醇加入 到轉(zhuǎn)速為陽00轉(zhuǎn)/分鐘的研磨機中，研磨1.證；第二步將20克十二烷基苯磺酸鈉，15克磺酸鈉，100克聚乙二醇加入到2. 8千克 乙醇和0. 2千克鄰苯二甲酸二丁酯中攪拌分散2. 5h，得到改性液；第三步將第一步得到的粉末材料預處理料與第二步得到的改性液混合，放入研磨 機中，常溫混合研磨他，然后進行超臨界干燥，將干燥后的物料研磨粉碎，即得改性粉末材 料A，產(chǎn)品粒徑1 OOOnm。
實施例4第一步取1千克聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯粉末和6千克鄰苯二甲酸二丁酯加入 到轉(zhuǎn)速為5200轉(zhuǎn)/分鐘的研磨機中，研磨Ih ；第二步將4克聚氧乙烯脂肪胺，8克十八碳烷酸鈉，80克聚乙烯吡咯烷酮加入到3 千克丙酮和1千克異丁醇中攪拌分散池，得到改性液；第三步將第一步得到的粉末材料預處理料與第二步得到的改性液混合，放入研磨 機中，常溫混合研磨4h，然后進行超臨界干燥，將干燥后的物料研磨粉碎，即得改性粉末材 料A，產(chǎn)品粒徑500nm。實施例5第一步取1千克鐵粉和7千克水，1千克乙醇加入到轉(zhuǎn)速為5600轉(zhuǎn)/分鐘的研磨 機中，研磨lh；第二步將5克司盤-60，6克磺酸鈉，70g聚丙烯酸和30克聚丙烯酸乙酯加入到3. 5 千克水和0. 5千克甘油中攪拌分散2.他，得到改性液；第三步將第一步得到的粉末材料預處理料與第二步得到的改性液混合，放入研磨 機中，常溫混合研磨證，然后進行冷凍干燥，將干燥后的物料研磨粉碎，即得改性粉末材料 A，產(chǎn)品粒徑850nm。實施例6第一步取0. 3千克鐵粉，0. 7千克鋁粉和8. 8千克甘油和0. 2千克環(huán)己烷加入到轉(zhuǎn) 速為6000轉(zhuǎn)/分鐘的研磨機中，研磨1.證；第二步將3克聚氧乙烯烷基酰胺，13克十八碳烷酸鈣，80克聚甲基丙烯酸丁酯，10 克聚乙二醇，加入到3. 9千克甘油和0. 1千克丁醇中攪拌分散池，得到改性液；第三步將第一步得到的粉末材料預處理料與第二步得到的改性液混合，放入研磨 機中，常溫混合研磨池，然后進行超臨界干燥，將干燥后的物料研磨粉碎，即得改性粉末材 料A，產(chǎn)品粒徑950nm。實施例7第一步取0. 8千克聚苯乙烯粉和0. 2千克聚碳酸酯粉，0. 2千克和8千克乙醇加入 到轉(zhuǎn)速為5800轉(zhuǎn)/分鐘的研磨機中，研磨1. 6h ；第二步將20克十二烷基苯磺酸鈉，15克十八碳烷酸鉀，90克聚乙烯吡咯烷酮，5克 聚丙烯酸，加入到4千克乙醇中攪拌分散2.證，得到改性液；第三步將第一步得到的粉末材料預處理料與第二步得到的改性液混合，放入研磨 機中，常溫混合研磨他，然后進行超臨界干燥，將干燥后的物料研磨粉碎，即得改性粉末材 料A，產(chǎn)品粒徑600nm。實施例8第一步取1千克蠟粉和6千克水加入到轉(zhuǎn)速為5500轉(zhuǎn)/分鐘的研磨機中，研磨 lh；第二步將20克聚氧乙烯烷基苯酚醚，15克磺酸鈉，40克聚丙烯酸，60克聚丙烯酸 甲酯，加入到5千克水中攪拌分散!3h，得到改性液；第三步將第一步得到的粉末材料預處理料與第二步得到的改性液混合，放入研磨 機中，常溫混合研磨9h，然后進行超臨界干燥，將干燥后的物料研磨粉碎，即得改性粉末材料A，產(chǎn)品粒徑750nm。實施例9將1千克乙醇，5克氧化鐵紅，4克聚丙烯酸(聚丙烯酸分子量為10000)，加入攪拌 機中，常溫攪拌分散I，分散均勻穩(wěn)定后，得到粘結(jié)劑B。實施例10將0.5千克乙二醇，0.5千克甘油，15克鐵藍，1克聚丙烯酸甲酯(聚丙烯酸甲酯分 子量為5000)加入攪拌機中，常溫攪拌分散池，分散均勻穩(wěn)定后，得到粘結(jié)劑B。實施例11將1千克丁醇，4克聚乙二醇(聚乙二醇分子量為20000)，6克聚乙烯吡咯烷酮(聚 乙烯吡咯烷酮分子量為10000)加入攪拌機中，常溫攪拌分散2. 5h，分散均勻穩(wěn)定后，得到 粘結(jié)劑B。實施例12將0.8千克乙醇，0.2千克乙酸丁酯，15克堿性品紅，1克松香(松香分子量為 20000)，6克聚甲基丙烯酸丁酯(聚甲基丙烯酸丁酯分子量為7000)加入攪拌機中，常溫攪 拌分散3h，分散均勻穩(wěn)定后，得到粘結(jié)劑B。實施例13取實施例2改性粉末材料A IOml與實施例9粘結(jié)劑BO. 7ml，進行攪拌共混，發(fā)現(xiàn) 混合后，混合物料在Smin內(nèi)粘結(jié)緊密，比現(xiàn)有產(chǎn)品的平均粘結(jié)時間快1到aiiin。實施例14取實施例3改性粉末材料A 10000ml與實施例10粘結(jié)劑B 400毫升，置于三維打 印快速成型機(型號Z-402，美國Z-Corporation公司)上，在鋪展均勻的改性粉末材料A 的水平平面X和Y方向上(X和Y方向分別代表水平面的橫向和縱向)，噴涂掃描粘結(jié)劑B， 粘結(jié)劑B的液滴直徑為0. 076mm，單位距離上的噴灑液滴數(shù)為12滴/mm，掃描完成后，經(jīng)掃 描后的改性粉末材料A所在的平面在豎直Z方向上下降Imm的高度。(在豎直Z方向上下 降Imm的高度指整個盛有改型粉末材料A的平面下降1毫米，因為掃描的面積是小于整個 改性粉末材料A所覆蓋的面積，下降的是整個平面的高度，不僅僅是經(jīng)掃描后的粉末面積 下降的高度，整個平面的面積是由快速成型機的儀器參數(shù)決定)，再對下一層進行改性粉末 材料A的鋪展，如此重復，得到的產(chǎn)品比現(xiàn)有產(chǎn)品的平均抗壓強度高5MPa 15MPa。通過實施例13 實施例14的實驗表明，本發(fā)明得到的用于三維打印快速成型材 料具有粘結(jié)快速，粘結(jié)緊密，粘結(jié)牢固等優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.一種用于三維打印的快速成型材料的制備方法，其特征在于快速成型材料包括改 性粉末材料A和粘結(jié)劑B，其中改性粉末材料A通過如下方法制備第一步，以質(zhì)量份數(shù)計，將1000份粉末材料與5000 10000份第一溶劑加入到轉(zhuǎn)速為 5000 6000轉(zhuǎn)/分鐘的球磨機或研磨機中研磨1 池，得到粉末材料預處理料；所述粉末 材料為鹽類粉末、金屬粉末、塑料粉末或蠟粉；所述鹽類粉末為硅酸鹽、鋁酸鹽、硫酸鹽和/ 或磷酸鹽；所述金屬粉末為鐵粉、鋁粉和/或銅粉；所述塑料粉末為聚苯乙烯、聚碳酸酯和/ 或聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯；所述第一溶劑為乙醇、丙酮、鄰苯二甲酸二丁酯、丁醇、甘油、 環(huán)己烷、異丁醇和/或水；第二步，以質(zhì)量份數(shù)計，將1 20份表面活性劑，1 15份潤滑劑，5 100份有機樹脂 逐次加入到1000 5000份第二溶劑中，并攪拌分散2 池，得到改性液；所述表面活性劑 為聚氧乙烯醚、十二烷基苯磺酸鈉、聚氧乙烯脂肪胺、司盤-60、聚氧乙烯烷基酰胺或聚氧乙 烯烷基苯酚醚；所述潤滑劑為十八碳烷酸、十八碳烷酸鈉、十八碳烷酸鉀、十八碳烷酸鈣、石 蠟或磺酸鈉；所述有機樹脂為聚丙烯酸、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸丁酯、 聚乙二醇、淀粉、聚乙烯吡咯烷酮和/或羥乙基纖維素；所述第二溶劑為乙醇、丙酮、鄰苯二 甲酸二丁酯、丁醇、甘油、異丁醇、乙二醇和/或水；第三步，將第一步制備得到的粉末材料預處理料與第二步制備得到的改性液混合，放 入研磨機中，常溫混合研磨2 10h，然后進行干燥，研磨粉碎，得到改性粉末材料A ；粘結(jié)劑B通過如下方法制備以質(zhì)量份數(shù)計，將1000份第三溶劑、0 15份顏料和1 10份樹脂加入攪拌機中，常溫攪拌分散2 池，待分散均勻穩(wěn)定后，得到粘結(jié)劑B ；所述第 三溶劑為乙醇，丁醇，甘油，乙二醇，鄰苯二甲酸二丁酯，乙酸丁酯和/或環(huán)戊烷中；所述樹 脂為聚丙烯酸、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸丁酯、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷 酮和/或松香，樹脂分子量在5000 20000 ；使用時，以體積份數(shù)計，1份改性粉末材料A與0. 01 0. 07份粘結(jié)劑B配用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于三維打印快速成型的材料的制備方法，其特征在 于所述的改性粉末材料A的粒徑為500 lOOOnm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于三維打印快速成型的材料的制備方法，其特征在 于所述的干燥方式為超臨界干燥或冷凍干燥。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于三維打印快速成型的材料的制備方法，其特征在 于所述的顏料為氧化鐵紅、鐵藍或碳粉黑。
5.一種用于三維打印快速成型的材料，其特征在于由權(quán)利要求1-4任一項所述方法制備。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于三維打印快速成型的材料及其制備方法，快速成型材料包括改性粉末材料A和粘結(jié)劑B，其中改性粉末材料A的制備將粉末材料與第一溶劑加入到球磨機或研磨機中研磨，得到粉末材料預處理料；將表面活性劑，潤滑劑，有機樹脂逐次加入到第二溶劑中，攪拌分散2～3h，得到改性液；將粉末材料預處理料與改性液混合，放入研磨機中，常溫混合研磨，干燥，研磨粉碎，得到改性粉末材料A；使用時，1份改性粉末材料A與0.01～0.07份粘結(jié)劑B配用。本發(fā)明材料作為三維打印快速成型機的成型原料，能夠有效的在三維打印機上快速成型，可應用于多種不同型號的三維打印機。
文檔編號B22F3/22GK102093646SQ20101053001
公開日2011年6月15日 申請日期2010年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者吳鏑, 張勇, 文秀芳, 楊卓如, 王位, 皮丕輝, 程江, 蔡智奇, 鄭大鋒 申請人:華南理工大學