本發(fā)明屬于本發(fā)明屬于3d打印技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種3d打印用無機(jī)物粉末激光燒結(jié)性能的模擬測試方法。
背景技術(shù)：
3d打印技術(shù)即增材制造技術(shù)，是通過材料的逐層疊加來實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體的成型工藝，是一種新興的快速成型技術(shù)。近年來，3d打印技術(shù)發(fā)展迅速，對制造業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大影響，將成為“互聯(lián)網(wǎng)+”與“中國制造2025”的一個(gè)重要支柱產(chǎn)業(yè)，為此，世界各國正在全力開展該技術(shù)的研發(fā)、應(yīng)用與推廣。
3d打印的核心之一在于材料的研發(fā)，材料是3d打印技術(shù)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，對該技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用起著決定性作用。當(dāng)前，用于3d打印的材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料、陶瓷材料，另外還有石膏材料、木質(zhì)材料、細(xì)胞生物材料等。其中，陶瓷材料、石膏材料屬于固體無機(jī)物材料，該類材料以其高強(qiáng)度、耐高溫、抗腐蝕、絕緣性好、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良等特征而在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。然而，該類材料的硬度高、脆性大、熔點(diǎn)高，其成型加工性能差，對于復(fù)雜無機(jī)材料器件需采用復(fù)雜模具進(jìn)行成型，并且其模具開發(fā)成本高、周期長，不利于該產(chǎn)業(yè)的長效發(fā)展。當(dāng)前，采用3d打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)無機(jī)物材料的三維成型是一種新穎、高效的手段。
固體無機(jī)物材料的3d打印成型一般采用激光選區(qū)燒結(jié)(sls)技術(shù)。3d打印用無機(jī)物粉末的成分主要包括無機(jī)物粉體與粘結(jié)劑兩部分，在激光燒結(jié)過程中，利用高能激光束將無機(jī)物粉末中的低熔點(diǎn)粘結(jié)劑熔融或軟化，通過液相的浸潤作用使無機(jī)物粉體相互粘合在一起，冷卻后成型得到生坯件，再經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)脫除粘結(jié)劑后得到最終的零件。利用該工藝實(shí)現(xiàn)陶瓷材料的成型無需任何模具，可解決復(fù)雜陶瓷器件的成型加工難題。無機(jī)物粉體中粘結(jié)劑的添加量很關(guān)鍵，粘結(jié)劑過少會(huì)造成無機(jī)粉末粘結(jié)不牢，坯件強(qiáng)度較低，零件成型較難；粘結(jié)劑添加過量易使成型零件在高溫脫脂燒結(jié)后收縮嚴(yán)重，不利于控制零件的精度。因此，對于新開發(fā)的3d打印用無機(jī)物粉末材料，需采用激光燒結(jié)裝置對其3d打印性能進(jìn)行前期的實(shí)驗(yàn)測試，以檢驗(yàn)其工業(yè)實(shí)用性。
目前，商用的選區(qū)激光燒結(jié)裝置一般為大型的工業(yè)級3d打印機(jī)，然而，該類型設(shè)備價(jià)格昂貴、體積重量大、單元組件多、儀器參數(shù)多、操作較為復(fù)雜、維護(hù)成本較高；尤其是工業(yè)級3d打印機(jī)的腔體尺寸大，鋪粉面寬，在選區(qū)激光燒結(jié)3d打印性能測試實(shí)驗(yàn)過程中需要消耗公斤級的無機(jī)物粉末，每次測試實(shí)驗(yàn)均會(huì)造成粉體材料的浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)環(huán)保性差，且耗時(shí)較長，實(shí)驗(yàn)過程較為繁瑣，不利于科學(xué)實(shí)驗(yàn)的高效開展。
因此，提供一種3d打印用無機(jī)物粉末激光燒結(jié)性能的模擬測試方法，簡易快捷，操作簡單，可簡化3d打印用無機(jī)物粉末的研發(fā)工藝、降低研發(fā)成本、加快研發(fā)速度，成為了本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：提供一種3d打印用無機(jī)物粉末激光燒結(jié)性能的模擬測試方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中大型的工業(yè)級3d打印機(jī)對3d打印用無機(jī)物粉末進(jìn)行前期的實(shí)驗(yàn)測試時(shí)存在的材料浪費(fèi)、耗時(shí)長，實(shí)驗(yàn)過程繁瑣，不利于科學(xué)實(shí)驗(yàn)高效開展的問題。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
本發(fā)明所述的一種3d打印用無機(jī)物粉末激光燒結(jié)性能的模擬測試方法，以普通商用激光雕刻機(jī)作為激光燒結(jié)設(shè)備，對平鋪于所述激光雕刻機(jī)內(nèi)部工作平臺(tái)玻璃板上的3d打印用無機(jī)物粉末作周期性連續(xù)掃描，以實(shí)現(xiàn)所述無機(jī)物粉末的燒結(jié)，觀察燒結(jié)后的無機(jī)粉末的固化成型情況，確定所述3d打印用無機(jī)物粉末的3d打印性能。
進(jìn)一步地，具體包括以下步驟：
步驟1：設(shè)置所述激光雕刻機(jī)的計(jì)算機(jī)控制程序，設(shè)定激光雕刻機(jī)的激光頭在2d水平面上的掃描范圍和掃描速度；
步驟2：將擬測試的3d打印用無機(jī)物粉末平鋪于所述激光雕刻機(jī)的內(nèi)部工作平臺(tái)的玻璃板上；
步驟3：啟動(dòng)所述激光頭，激光頭在設(shè)定的掃描范圍內(nèi)作周期性連續(xù)掃描，直至所述掃描范圍內(nèi)的3d打印用無機(jī)粉末全部完成燒結(jié)；
步驟4：觀察燒結(jié)后的無機(jī)物粉末的固化成型情況，如果固化成型效果良好、坯件強(qiáng)度高、致密性好，表明所述3d打印用無機(jī)粉末的激光燒結(jié)3d打印性能良好。
進(jìn)一步地，所述激光頭為co2激光器，激光功率范圍為20～40w。
進(jìn)一步地，所述掃描范圍為50mm×50mm。
進(jìn)一步地，所述掃描速度為200～1000mm/s。
進(jìn)一步地，所述3d打印用無機(jī)物粉末的配制包括以下步驟：
a：稱取所述3d打印用無機(jī)物粉末的原料并混合均勻，得混合物；所述原料包括以下重量份的組分：固體無機(jī)物20-60份，粘結(jié)劑10-30份，固化劑2-8份，稀釋劑30-80份；
b：將所述混合物置于真空干燥箱中真空干燥，干燥完成待自然冷卻后得到干燥充分、分散均勻的3d打印用無機(jī)物粉末。
進(jìn)一步地，所述固體無機(jī)物選自氧化鋯、氧化鋁、氧化鎂、二氧化鈦、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、石膏、高嶺土、膨潤土中的一種或多種；
所述粘結(jié)劑為雙酚a型環(huán)氧樹脂或雙酚f型環(huán)氧樹脂；
所述固化劑為聚酰胺樹脂；
所述稀釋劑為無水乙醇、乙二醇、丙酮中的一種或多種。
進(jìn)一步地，所述固體無機(jī)物的粒徑為20～300μm。
進(jìn)一步地，所述真空干燥的真空度為100～200pa，以1～5℃/min的升溫速率將真空干燥箱逐漸升溫至60～80℃，保溫3～8h。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果為：
本發(fā)明方法簡單，操作簡便，可以快速進(jìn)行3d打印用無機(jī)物粉末激光選區(qū)燒結(jié)性能的模擬測試，測試用樣品量少，成本低。
本發(fā)明以普通商用激光雕刻機(jī)為測試設(shè)備，利用其大功率激光器對3d打印用無機(jī)物粉末進(jìn)行快速燒結(jié)，單次激光燒結(jié)測試僅需少量(數(shù)十克)樣品便可完成其3d打印性能的相關(guān)測試，整個(gè)測試過程僅需數(shù)分鐘時(shí)間。此外，該設(shè)備的價(jià)格低、體積小、易操作，測試成本極低，可極大提高科研實(shí)驗(yàn)的效率，推動(dòng)3d打印用無機(jī)物粉末的快速研發(fā)。
附圖說明
附圖1為本發(fā)明的工藝流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖說明和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，本發(fā)明的方式包括但不僅限于以下實(shí)施例。
一種3d打印用無機(jī)物粉末激光燒結(jié)性能的模擬測試方法，以普通商用激光雕刻機(jī)作為激光燒結(jié)設(shè)備，對平鋪于所述激光雕刻機(jī)內(nèi)部工作平臺(tái)玻璃板上的3d打印用無機(jī)物粉末作周期性連續(xù)掃描，以實(shí)現(xiàn)所述無機(jī)物粉末的燒結(jié)，觀察燒結(jié)后的無機(jī)粉末的固化成型情況，確定所述無機(jī)物粉末的選區(qū)激光燒結(jié)性能。
該模擬測試方法具體包括以下步驟：
步驟1：設(shè)置所述激光雕刻機(jī)的計(jì)算機(jī)控制程序，設(shè)定激光雕刻機(jī)的激光頭在2d水平面上的掃描范圍和掃描速度；
步驟2：將擬測試的無機(jī)物粉末平鋪于所述激光雕刻機(jī)的內(nèi)部工作平臺(tái)的玻璃板上；
步驟3：啟動(dòng)所述激光頭，激光頭在設(shè)定的掃描范圍內(nèi)作周期性連續(xù)掃描，直至所述掃描范圍內(nèi)的無機(jī)粉末全部完成燒結(jié)；
步驟4：觀察燒結(jié)后的無機(jī)物粉末的固化成型情況，如果固化成型效果良好、坯件強(qiáng)度高、致密性好，表明所述3d打印用無機(jī)粉末的激光燒結(jié)性能良好。
其中，所述激光頭為co2激光器，激光功率范圍為20～40w。
所述掃描范圍為50mm×50mm。
所述掃描速度為200～1000mm/s。
所述3d打印用無機(jī)物粉末的配制包括以下步驟：
a：稱取所述3d打印用無機(jī)物粉末的原料并混合均勻，得混合物；所述原料包括以下重量份的組分：固體無機(jī)物20-60份，粘結(jié)劑10-30份，固化劑2-8份，稀釋劑30-80份；
b：將所述混合物置于真空干燥箱中真空干燥，干燥完成待自然冷卻后得到干燥充分、分散均勻的3d打印用無機(jī)物粉末。
所述固體無機(jī)物選自氧化鋯、氧化鋁、氧化鎂、二氧化鈦、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、石膏、高嶺土、膨潤土中的一種或多種；
所述粘結(jié)劑為雙酚a型環(huán)氧樹脂或雙酚f型環(huán)氧樹脂；
所述固化劑為聚酰胺樹脂；
所述稀釋劑為無水乙醇、乙二醇、丙酮中的一種或多種。
所述固體無機(jī)物的粒徑為20～300μm。
所述真空干燥的真空度為100～200pa，以1～5℃/min的升溫速率將真空干燥箱逐漸升溫至60～80℃，保溫3～8h。
實(shí)施例1
稱取雙酚a型環(huán)氧樹脂15克，聚酰胺樹脂3克，無水乙醇50克，混合攪拌均勻，得到粘結(jié)劑稀釋液；再稱取35克粒徑為100微米的高嶺土添加入粘結(jié)劑稀釋液中，攪拌均勻后得到混合料。再將混合料置于真空干燥箱中，保持箱內(nèi)真空度為120pa，再以2℃/min的升溫速率將干燥箱升溫至65℃，保溫4h后冷卻得到干燥充分、均勻分散的3d打印用無機(jī)粉末。
以普通商用激光雕刻機(jī)作為激光燒結(jié)設(shè)備，比如jq9060型非金屬雕刻機(jī)或jq50w型金屬雕刻機(jī)，所用激光頭為co2激光器，激光功率設(shè)置為25w，激光掃描速度設(shè)定為300mm/s，掃描范圍設(shè)為50mm×50mm。
采用可調(diào)式刮刀手動(dòng)將3d打印用無機(jī)粉末平鋪于激光雕刻機(jī)內(nèi)部工作平臺(tái)的玻璃板上，啟動(dòng)激光器，激光頭在選定區(qū)域內(nèi)周期性連續(xù)掃描，5分鐘后，所選區(qū)域內(nèi)粉體全部完成燒結(jié)。
3d打印用無機(jī)粉末中的樹脂薄層經(jīng)激光加熱發(fā)生熔融與固化，使無機(jī)粉末形成一個(gè)方形薄層小坯件。經(jīng)檢驗(yàn)，該坯件的強(qiáng)度高、致密性好、成型效果佳，表明該無機(jī)粉末適用于激光燒結(jié)3d打印，實(shí)驗(yàn)成功。
實(shí)施例2
稱取雙酚f型環(huán)氧樹脂15克，聚酰胺樹脂5克，無水乙醇38克，混合攪拌均勻，得到粘結(jié)劑稀釋液；再稱取30克粒徑為150微米的高嶺土添加入粘結(jié)劑稀釋液中，攪拌均勻后得到混合料。再將混合料置于真空干燥箱中，保持箱內(nèi)真空度為120pa，再以3℃/min的升溫速率將干燥箱升溫至70℃，保溫5h后冷卻得到干燥充分、均勻分散的高嶺土粉末。
以普通商用激光雕刻機(jī)作為激光燒結(jié)設(shè)備，比如jq9060型非金屬雕刻機(jī)或jq50w型金屬雕刻機(jī)，所用激光頭為co2激光器，激光功率設(shè)置為30w，激光掃描速度設(shè)定為500mm/s，掃描范圍設(shè)為50mm×50mm。
采用可調(diào)式刮刀手動(dòng)將高嶺土粉末平鋪于激光雕刻機(jī)內(nèi)部工作平臺(tái)的玻璃板上，啟動(dòng)激光器，激光頭在選定區(qū)域內(nèi)周期性連續(xù)掃描，3分鐘后，所選區(qū)域內(nèi)粉體全部完成燒結(jié)。
3d打印用無機(jī)粉末中的樹脂薄層經(jīng)激光加熱發(fā)生熔融與固化，使3d打印用無機(jī)粉末形成一個(gè)方形薄層小坯件。經(jīng)檢驗(yàn)，該坯件的強(qiáng)度高、致密性好、成型效果佳，表明該無機(jī)粉末適用于激光燒結(jié)3d打印，實(shí)驗(yàn)成功。
上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式之一，不應(yīng)當(dāng)用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，但凡在本發(fā)明的主體設(shè)計(jì)思想和精神上作出的毫無實(shí)質(zhì)意義的改動(dòng)或潤色，其所解決的技術(shù)問題仍然與本發(fā)明一致的，均應(yīng)當(dāng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。