本發(fā)明屬于3D打印技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種熔融沉積成型(FDM)工藝制備的制品及其制備方法、上述制品中使用的復(fù)合線材及其制備方法。
背景技術(shù)：
3D打印技術(shù)，又稱增材制造技術(shù)，是快速成型領(lǐng)域中的一種新興制造技術(shù)。3D打印技術(shù)以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本，通過計(jì)算機(jī)數(shù)字軟件程序控制，利用激光燒結(jié)，或加熱熔融等方式將金屬、陶瓷或聚合物等材料逐層堆積成型，從而制造出三維實(shí)體產(chǎn)品。獨(dú)特的制造優(yōu)勢(shì)，使其發(fā)展迅速，目前已廣泛應(yīng)用在工業(yè)、生活、醫(yī)學(xué)及科研等領(lǐng)域。其中，熔融沉積成型(FDM)工藝是最為常用的3D打印技術(shù)之一，其所使用的材料一般為尼龍、ABS等熱塑性樹脂，但由于這類樹脂結(jié)構(gòu)的特殊性，很容易導(dǎo)致最終產(chǎn)品的力學(xué)性能不佳，限制了其應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。
將纖維與熱塑性樹脂混合制成復(fù)合材料，是提高樹脂制件力學(xué)性能的重要手段。纖維增強(qiáng)主要有短纖維增強(qiáng)和長(zhǎng)纖維增強(qiáng)兩種，長(zhǎng)纖維增強(qiáng)是傳統(tǒng)增強(qiáng)工藝，但過程相對(duì)復(fù)雜，成本較高且不易操作，而短纖維增強(qiáng)則具有操作簡(jiǎn)便，成本低廉，增強(qiáng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，而將其應(yīng)用于3D打印技術(shù)，特別是熔融沉積成型(FDM)工藝的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料還未見報(bào)道。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的之一在于提供一種制品及其制備方法，所述制品具有較好的力學(xué)性能，即有較高的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，而且所述制品具有表面光潔、固化收縮率小且尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的目的之二在于提供一種上述制品中使用的復(fù)合線材及其制備方法，所述復(fù)合線材中添加有特定長(zhǎng)徑比的短纖維，在增強(qiáng)其力學(xué)性能的同時(shí)，可以很好地保證所述材料的熔融加工性能，所述材料用于基于熔融沉積成型(FDM)工藝的3D打印時(shí)，可以保證打印過程流暢，而且打印的制品表面光潔、固化收縮率小且尺寸穩(wěn)定。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
一種制品，其通過熔融沉積成型(FDM)工藝制備，所述熔融沉積成型(FDM)工藝中所用的原料為一種復(fù)合線材，所述復(fù)合線材通過包括以下組分的組合物加工而成：
聚合物：100重量份；
短纖維：10～60重量份；優(yōu)選20～50重量份；
偶聯(lián)劑：0.5～10重量份；優(yōu)選1～5重量份；
抗氧化劑：0.01～1重量份；優(yōu)選0.1～0.8重量份；
其中，所述短纖維的長(zhǎng)徑比為10～300，優(yōu)選為10～70，進(jìn)一步優(yōu)選為10～30。
本發(fā)明中，所述的“短纖維的長(zhǎng)徑比”是指短纖維的長(zhǎng)度和其直徑的比例，且長(zhǎng)度和直徑的單位統(tǒng)一，例如可以是米、厘米、毫米、微米等。
根據(jù)本發(fā)明，所述短纖維為玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、晶須、石棉纖維及合成纖維中的至少一種。優(yōu)選地，所述短纖維為碳纖維、玻璃纖維中的至少一種。
根據(jù)本發(fā)明，所述聚合物為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醚酮(PEEK)及尼龍系列聚合物中的至少一種。優(yōu)選地，所述聚合物為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)和尼龍系列聚合物中的至少一種。更優(yōu)選地，所述聚合物為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)或尼龍66聚合物或二者的任意比例的混合物。
根據(jù)本發(fā)明，所述偶聯(lián)劑為3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、3-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)或3-(異丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)中的至少一種。優(yōu)選地，所述偶聯(lián)劑為3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)。
根據(jù)本發(fā)明，所述抗氧化劑為2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚、3,5-二叔丁基-4-羥基苯丙酸十八酯或亞磷酸三苯酯中的至少一種。優(yōu)選地，所述抗氧化劑為2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚。
本發(fā)明還提供上述制品的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：
1)按照重量百分比選取組合物中的各組分，得到所述組合物；
2)將所述組合物熔融擠出，制成所述復(fù)合線材；
3)將上述復(fù)合線材通過送絲裝置送進(jìn)基于熔融沉積成型(FDM)工藝的3D打印機(jī)噴頭，在噴頭內(nèi)被加熱熔化并擠出，熔融的上述復(fù)合線材被擠出后迅速固化形成固化薄層，經(jīng)層層堆積制成所述制品。
根據(jù)本發(fā)明，在步驟2)中，所述的復(fù)合線材的熔融擠出工藝可以是采用現(xiàn)有技術(shù)已知的任一種線材的熔融擠出工藝，例如可以是采用雙螺桿擠出機(jī)將所述組合物擠出加工成直徑為1.75mm的細(xì)絲，直徑誤差在5％以內(nèi)，所述雙螺桿擠出機(jī)的螺桿的長(zhǎng)徑比為40；還可以是采用單螺桿擠出機(jī)將所述組合物擠出加工成直徑為3.0mm的細(xì)絲，直徑誤差在5％以內(nèi)，所述單螺桿擠出機(jī)的螺桿直徑為70mm，長(zhǎng)徑比為25。
根據(jù)本發(fā)明，在步驟3)中，所述熔融沉積成型(FDM)工藝中噴頭溫度為200～300℃，熱床溫度60～100℃。
本發(fā)明中，在加工所述制品用的復(fù)合線材中加入特定長(zhǎng)徑比的短纖維，所述短纖維的加入在提高所述制品的力學(xué)性能(增加其拉伸和彎曲強(qiáng)度)的同時(shí)，完全保證了所述復(fù)合線材在熔融沉積過程中的熔融性能，可以保證打印出的制品表面光潔、固化收縮率小、尺寸穩(wěn)定且力學(xué)性能優(yōu)良。
本發(fā)明中，選用的短纖維的長(zhǎng)徑比為10～300，其中，當(dāng)長(zhǎng)徑比小于此范圍時(shí)，其所產(chǎn)生的作用與顆粒增強(qiáng)相近，即無法起到纖維力學(xué)增強(qiáng)的效果；長(zhǎng)徑比大于此范圍時(shí)，纖維與聚合物基體在復(fù)合過程中，容易產(chǎn)生纖維分布不均及纖維不能完全被聚合物基體所浸漬的現(xiàn)象，且所制成的復(fù)合線材在受熱熔融時(shí)所形成的熔體流動(dòng)性差，表面粗糙，影響制品層間結(jié)合力以及制品表面光潔度等，從而不利于熔融沉積成型，因此無法滿足基于熔融沉積成型(FDM)工藝的3D打印需求。
本發(fā)明還提供上述制品中使用的復(fù)合線材，所述復(fù)合線材通過包括以下組分的組合物加工而成：
聚合物：100重量份；
短纖維：10～60重量份；優(yōu)選20～50重量份；
偶聯(lián)劑：0.5～5重量份；優(yōu)選1～5重量份；
抗氧化劑：0.1～1重量份；優(yōu)選0.1～0.8重量份；
其中，所述短纖維的長(zhǎng)徑比為10～300，優(yōu)選為10～70，進(jìn)一步優(yōu)選為10～30。
本發(fā)明還進(jìn)一步提供上述復(fù)合線材的制備方法，所述方法包括以下步驟：
a)按照重量百分比選取所述組合物中的組分；
b)將上述組分混合均勻，擠出加工成細(xì)絲，即制備得到所述復(fù)合線材。
根據(jù)本發(fā)明，在步驟b)中，可以采用現(xiàn)有技術(shù)已知的任一種線材的熔融擠出工藝，例如可以是采用雙螺桿擠出機(jī)將所述組合物擠出加工成直徑為1.75mm的細(xì)絲，直徑誤差在5％以內(nèi)，所述雙螺桿擠出機(jī)的螺桿的長(zhǎng)徑比為40；還可以是采用單螺桿擠出機(jī)將所述組合物擠出加工成直徑為3.0mm的細(xì)絲，直徑誤差在5％以內(nèi)，所述單螺桿擠出機(jī)的螺桿直徑為70mm，長(zhǎng)徑比為25。
本發(fā)明的有益效果：
1.本發(fā)明提供一種制品及其制備方法，所述制品是通過熔融沉積成型(FDM)工藝制備得到的，所述熔融沉積成型(FDM)工藝中所用的原料為一種復(fù)合線材。所述制品具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度均較高，所述制品的表面光潔，固化收縮率小，尺寸穩(wěn)定且力學(xué)性能優(yōu)良。
2.本發(fā)明還提供上述制品中使用的復(fù)合線材及其制備方法，所述復(fù)合線材中添加有特定長(zhǎng)徑比的短纖維。所述短纖維既可以改善所述制品的力學(xué)性能，還可以保證所述復(fù)合線材的熔融加工性能；所述制備過程簡(jiǎn)單，具有大規(guī)模生產(chǎn)的應(yīng)用前景。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外，應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明所記載的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本發(fā)明所限定的范圍。
實(shí)施例1
將丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)聚合物100重量份，短切玻璃纖維(長(zhǎng)徑比約10～30)30重量份，偶聯(lián)劑3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)5重量份，抗氧化劑2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚0.4重量份混合，經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)或單螺桿擠出機(jī)擠出制成本發(fā)明的復(fù)合線材。
所述的復(fù)合線材的熔融擠出工藝為：采用雙螺桿擠出機(jī)將所述組合物擠出加工成直徑為1.75mm的細(xì)絲，直徑誤差在5％以內(nèi)，所述雙螺桿擠出機(jī)的螺桿的長(zhǎng)徑比為40；或者，采用單螺桿擠出機(jī)將所述組合物擠出加工成直徑為3.0mm的細(xì)絲，直徑誤差在5％以內(nèi)，所述單螺桿擠出機(jī)的螺桿直徑為70mm，長(zhǎng)徑比為25。
將所述復(fù)合線材用于熔融沉積成型(FDM)3D打印機(jī)，打印機(jī)擠出頭溫度為200℃，熱床溫度80℃。具體地：將上述復(fù)合線材通過送絲裝置送進(jìn)基于熔融沉積成型(FDM)工藝的3D打印機(jī)噴頭，在噴頭內(nèi)被加熱熔化并擠出，熔融的上述復(fù)合線材被擠出后迅速固化形成固化薄層，經(jīng)層層堆積制成所述制品。
結(jié)果表明：打印過程流暢，打印制品表面光潔，固化收縮率小，尺寸穩(wěn)定且力學(xué)性能優(yōu)良，其中拉伸強(qiáng)度較同工藝下的純ABS樹脂制品增強(qiáng)超過50％。
實(shí)施例2
將尼龍66聚合物100重量份，短切碳纖維(長(zhǎng)徑比約10～30)30重量份，偶聯(lián)劑3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)3重量份，抗氧化劑2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚0.3重量份混合，經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)或單螺桿擠出機(jī)擠出制成本發(fā)明的復(fù)合線材。
所述的復(fù)合線材的熔融擠出工藝為：采用雙螺桿擠出機(jī)將所述組合物擠出加工成直徑為1.75mm的細(xì)絲，直徑誤差在5％以內(nèi)，所述雙螺桿擠出機(jī)的螺桿的長(zhǎng)徑比為40；或者，采用單螺桿擠出機(jī)將所述組合物擠出加工成直徑為3.0mm的細(xì)絲，直徑誤差在5％以內(nèi)，所述單螺桿擠出機(jī)的螺桿直徑為70mm，長(zhǎng)徑比為25。
將所述復(fù)合線材用于熔融沉積成型(FDM)3D打印機(jī)，打印機(jī)擠出頭溫度為240℃，熱床溫度90℃。具體地：將上述復(fù)合線材通過送絲裝置送進(jìn)基于熔融沉積成型(FDM)工藝的3D打印機(jī)噴頭，在噴頭內(nèi)被加熱熔化并擠出，熔融的上述復(fù)合線材被擠出后迅速固化形成固化薄層，經(jīng)層層堆積制成所述制品。
結(jié)果表明：打印過程流暢，打印制品表面光潔，固化收縮率小，尺寸穩(wěn)定且力學(xué)性能優(yōu)良，其中拉伸強(qiáng)度較同工藝下的純尼龍66制品增強(qiáng)超過60％。
實(shí)施例3
將尼龍66聚合物100重量份，短切碳纖維(長(zhǎng)徑比約10～30)45重量份，偶聯(lián)劑3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)5重量份，抗氧化劑2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚0.5重量份混合，經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)或單螺桿擠出機(jī)擠出制成本發(fā)明的復(fù)合線材。
所述的復(fù)合線材的熔融擠出工藝為：采用雙螺桿擠出機(jī)將所述組合物擠出加工成直徑為1.75mm的細(xì)絲，直徑誤差在5％以內(nèi)，所述雙螺桿擠出機(jī)的螺桿的長(zhǎng)徑比為40；或者，采用單螺桿擠出機(jī)將所述組合物擠出加工成直徑為3.0mm的細(xì)絲，直徑誤差在5％以內(nèi)，所述單螺桿擠出機(jī)的螺桿直徑為70mm，長(zhǎng)徑比為25。
所述復(fù)合線材用于熔融沉積成型(FDM)3D打印機(jī)，打印機(jī)擠出頭溫度為250℃，熱床溫度85℃。具體地：將上述復(fù)合線材通過送絲裝置送進(jìn)基于熔融沉積成型(FDM)工藝的3D打印機(jī)噴頭，在噴頭內(nèi)被加熱熔化并擠出，熔融的上述復(fù)合線材被擠出后迅速固化形成固化薄層，經(jīng)層層堆積制成所述制品。
結(jié)果表明：打印過程流暢，打印制品表面光潔，固化收縮率小，尺寸穩(wěn)定且力學(xué)性能優(yōu)良，其中拉伸強(qiáng)度較同工藝下的純尼龍66制品增強(qiáng)超過75％。
以上，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行了說明。但是，本發(fā)明不限定于上述實(shí)施方式。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。