一种聚合物粉末床喷墨烧结3D打印的方法

技术领域

本发明属于3D打印制品技术领域，具体涉及一种聚合物粉末床喷墨烧结3D打印的方法以及采用该打印方法打印的制件。

背景技术

随着人类社会的发展，3D增材制造技术应运而生。3D打印技术以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。通过3D打印技术人们可以轻松实现复杂结构的一体成型。砂型3D打印是一种将细砂平铺后机器喷头根据所建模型切片的图案喷出粘接剂将其逐层粘接成型的技术，该技术大大缩短了砂型铸造的周期，降低了整体的工艺难度。

CN115090832A公开了一种3D打印设备，其主要利用喷头按照规定的路径向铺好的粉末上喷射粘结剂，将规定位置处的粉末粘结在一起，形成一层三维构件轮廓，然后继续再铺一层粉末，并进行粘结剂喷射，重复多次，多层粉末粘结获得三维轮廓完整的构件。其进一步在工作箱以及铺砂器的底部的侧边增设了加热组件，可以实现在砂型打印过程中工作箱处于设定温度的恒温状态且铺砂器铺砂的同时加热组件实时加热砂面，促进砂型固化，加热烘干砂面，提升固化效果。但是该设备主要是用于无机材料(如细砂)的成型，且采用的是原位加热提升固化效果，同时并未记载固化效果的提升情况。

Sci.Adv.2017；3：e1700262中公开了一种通过微波照射对碳纳米管(CNT)进行强烈局部加热来焊接FDM 3D打印热塑性界面的方法。其将CNT加载的涂层应用于FDM 3D打印，微波辐照显示焊缝断裂强度提高275％。但是该文献公开的是微波技术应用于FDM 3D打印的热塑性界面增强，并未将其应用于聚合物粉末床喷墨烧结3D打印，也并未将微波技术应用于提升制件的整体制造速率。

基于上述分析，一种能够有效提高聚合物3D打印技术制件成型速率，得到的制件强度高的3D打印方法是目前行业内急需的。

发明内容

针对现有技术中3D打印技术制件成型速率慢，打印得到的制件焊缝大的技术问题，本发明采用聚合物粉末床喷墨烧结3D打印的方法，再经过进一步的微波后处理快速制得高强度的3D打印制件。本发明是通过如下技术手段实现的：

一种聚合物粉末床喷墨烧结3D打印的方法，包括：

(1)对所要打印的三维模型进行计算机切片，得到每层截面的轮廓信息；

(2)将聚合物粉料装入铺料槽中，墨水装入与喷头相连的墨盒中，固化剂装入与喷头相连的另一容器中，并对打印床进行预热；

(3)采用滚筒滚动铺料，喷头按照切片截面的图案进行喷墨；

(4)喷头进一步按照切片截面的图案喷出固化剂固化粘合成型；

(5)打印床下降一定距离，重复步骤(3)，步骤(4)的操作，直到打印结束；

(6)对制件进行初步表面清洁处理后，将其放入微波处理装置中进行进一步微波固化，成型。

进一步的，步骤(2)所述聚合物粉料为所有能够进行3D打印的聚合物粉体。

进一步的，所述聚合物粉体包括但不限于：聚氨酯粉体、聚乳酸粉体、聚丙烯粉体、尼龙粉体、聚醚醚酮粉体、ABS粉体、聚碳酸酯粉体、聚苯乙烯粉体、聚己内酯粉体、聚苯砜粉体、聚二甲基硅氧烷粉体。

进一步的，所述聚合物粉体粒径为5-500μm。

进一步的，步骤(2)所述墨水为具有粘合能力且能够在微波作用下快速升温固化的墨水，所述固化剂为商用固化剂。

进一步的，所述墨水包括：碳材料混合呋喃树脂、碳材料混合酚醛树脂。

进一步的，所述碳材料为碳纳米管、石墨烯、导电炭黑中的一种或几种。

进一步的，步骤(5)所述一定距离为0.05-1mm。

进一步的，步骤(6)所述微波处理为：射频微波处理；所述视频微波功率为800-3000W，处理时间为10-300s。

本发明还公开了一种根据任一上述的聚合物粉末床喷墨烧结3D打印的方法打印的制件。

本发明的有益效果在于：

现有技术中铺粉打印时需要铺一层粉然后近红外光固化一次，严重降低了打印效率，且打印过程中层与层之间的焊缝大，降低制件的力学性能，而采用先一步成型后结合微波处理的方法，能够避免每次打印完后近红外光固化的过程，提升生产速率，联合微波处理后，得到的制件焊缝整体比现有技术中层层固化的焊缝小，大大提升了其力学性能。

附图说明

图1为本发明的打印方法流程图。

图2为对比例1制得样条焊缝宽度扫描电镜图。

图3为实施例1制得样条焊缝宽度扫描电镜图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明做进一步描述。实施例的描述仅为便于理解和应用本发明，而非对本发明保护的限制。

实施例1：

一种聚合物粉末床喷墨烧结3D打印的方法，具体如下：

(1)对所要打印的三维模型进行计算机切片，得到每层截面的轮廓信息；

(2)将聚合物粉料装入铺料槽中，墨水装入与喷头相连的墨盒中，固化剂装入与喷头相连的另一容器中，并对打印床进行预热；

(3)采用滚筒滚动铺料，喷头按照切片截面的图案进行喷墨；

(4)喷头进一步按照切片截面的图案喷出固化剂固化粘合成型；

(5)打印床下降一定距离，重复步骤(3)，步骤(4)的操作，直到打印结束；

(6)对制件进行初步表面清洁处理后，将其放入微波处理装置中进行进一步微波固化，成型。

其中：聚合物粉料为聚氨酯粉体，粒径为200μm；墨水为导电炭黑混合呋喃树脂；固化剂为商用固化剂；下降距离为0.1mm；微波处理为射频微波处理，其功率在1200W，处理时间在60s。

实施例2：

一种聚合物粉末床喷墨烧结3D打印的方法，具体如下：

(1)对所要打印的三维模型进行计算机切片，得到每层截面的轮廓信息；

(2)将聚合物粉料装入铺料槽中，墨水装入与喷头相连的墨盒中，固化剂装入与喷头相连的另一容器中，并对打印床进行预热；

(3)采用滚筒滚动铺料，喷头按照切片截面的图案进行喷墨；

(4)喷头进一步按照切片截面的图案喷出固化剂固化粘合成型；

(5)打印床下降一定距离，重复步骤(3)，步骤(4)的操作，直到打印结束；

(6)对制件进行初步表面清洁处理后，将其放入微波处理装置中进行进一步微波固化，成型。

其中：聚合物粉料为尼龙粉体，粒径为300μm；墨水为碳纳米管混合酚醛树脂；固化剂为商用固化剂；下降距离为0.3mm；微波处理为射频微波处理，其功率在1000W，处理时间在150s。

实施例3：

一种聚合物粉末床喷墨烧结3D打印的方法，具体如下：

(1)对所要打印的三维模型进行计算机切片，得到每层截面的轮廓信息；

(2)将聚合物粉料装入铺料槽中，墨水装入与喷头相连的墨盒中，固化剂装入与喷头相连的另一容器中，并对打印床进行预热；

(3)采用滚筒滚动铺料，喷头按照切片截面的图案进行喷墨；

(4)喷头进一步按照切片截面的图案喷出固化剂固化粘合成型；

(5)打印床下降一定距离，重复步骤(3)，步骤(4)的操作，直到打印结束；

(6)对制件进行初步表面清洁处理后，将其放入微波处理装置中进行进一步微波固化，成型。

其中：聚合物粉料为聚丙烯粉体，粒径为250μm；墨水为碳纳米管混合呋喃树脂；固化剂为商用固化剂；下降距离为0.5mm；微波处理为射频微波处理，其功率在800W，处理时间在180s。

实施例4：

一种聚合物粉末床喷墨烧结3D打印的方法，具体如下：

(1)对所要打印的三维模型进行计算机切片，得到每层截面的轮廓信息；

(2)将聚合物粉料装入铺料槽中，墨水装入与喷头相连的墨盒中，固化剂装入与喷头相连的另一容器中，并对打印床进行预热；

(3)采用滚筒滚动铺料，喷头按照切片截面的图案进行喷墨；

(4)喷头进一步按照切片截面的图案喷出固化剂固化粘合成型；

(5)打印床下降一定距离，重复步骤(3)，步骤(4)的操作，直到打印结束；

(6)对制件进行初步表面清洁处理后，将其放入微波处理装置中进行进一步微波固化，成型。

其中：聚合物粉料为聚苯乙烯粉体，粒径为50μm；墨水为石墨烯混合呋喃树脂；固化剂为商用固化剂；下降距离为1mm；微波处理为射频微波处理，其功率在1500W，处理时间在30s。

实施例5：

一种聚合物粉末床喷墨烧结3D打印的方法，具体如下：

(1)对所要打印的三维模型进行计算机切片，得到每层截面的轮廓信息；

(2)将聚合物粉料装入铺料槽中，墨水装入与喷头相连的墨盒中，固化剂装入与喷头相连的另一容器中，并对打印床进行预热；

(3)采用滚筒滚动铺料，喷头按照切片截面的图案进行喷墨；

(4)喷头进一步按照切片截面的图案喷出固化剂固化粘合成型；

(5)打印床下降一定距离，重复步骤(3)，步骤(4)的操作，直到打印结束；

(6)对制件进行初步表面清洁处理后，将其放入微波处理装置中进行进一步微波固化，成型。

其中：聚合物粉料为聚醚醚酮粉体，粒径为100μm；墨水为石墨烯混合酚醛树脂；固化剂为商用固化剂；下降距离为0.2mm；微波处理为射频微波处理，其功率在2500W，处理时间在10s。

对比例1：

一种聚合物3D打印的方法，具体如下：

(1)对所要打印的三维模型进行计算机切片，得到每层截面的轮廓信息；

(2)将聚合物粉料装入铺料槽中，墨水装入与喷头相连的墨盒中，并对打印床进行预热；

(3)采用滚筒滚动铺料，喷头按照切片截面的图案进行喷墨粘合成型；

(4)采用近红外光照对其进行升温固化处理；

(5)打印床下降一定距离，重复步骤(3)和步骤(4)，直到打印结束；

其中：聚合物粉料为聚氨酯粉体，粒径为200μm；墨水为导电炭黑混合呋喃树脂；近红外光照时间为30s；下降距离为0.1mm。

试验例1

分别采用实施例1与对比例1条件打印1mm厚的样条进行力学性能测试，并记录其处理过程中所用时间，结果如表1所示。同时对两组样品的焊缝宽度进行电镜图扫描，扫描结果详见图2与图3。

表1性能对比表

根据表1结果可知，采用整体粘合成型结合射频微波后处理的方法使得最终聚合物制件力学性能提升两倍左右，且大大缩短了整体制件的成型时间。根据图2与图3的结果可知，本发明采用的聚合物粉末床喷墨烧结3D打印的方法制得的制件，经过微波处理后，样条焊缝宽度大大减小，仅仅为6.147μm，明显低于对比例1的192.0μm。

综上所述，本发明采用先一步成型后结合微波处理的方法，能够避免每次打印完后近红外光固化的过程，提升生产速率，联合微波处理后，得到的制件焊缝整体比现有技术中层层固化的焊缝小，大大提升了其力学性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。