000三维快速成型打印机成型材料_王位

三维快速成型打印机成型材料

王

位，陆亚林，杨卓如

(华南理工大学化学与化工学院，广东广州510640)

摘

要：三维快速成型打印技术作为新兴技术，具有很大潜力。简述了三维快速成型打印技术的发展和现状，描述了三

维打印技术的成型原理，材料的选择后处理过程，并提出了展望。

关键词：3DP ；成型原理；材料选择；后处理中图分类号：TP391

文献标识码：A

文章编号：1000-8356(2012)01-0103-04

Materials for Printing Shaping in 3D Rapid Prototyping Technology

WANG Wei,LU Ya-lin ，YANG Zhuo -ru

(School of Chemistry and Chemical Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

Abstract ：The development of three-dimensional printing (3DP)technology,a new rapid prototyping technology ，was described,and the shaping principle was described,and something about the choice of materials and the post-processing was put forward.Key words ：3DP;shaping principle;materials choice;post-processing

快速成型技术是利用三维CAD 数据，通过快速成型机，将材料堆积成实体原型的技术，可以自动、快速、直接、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或制造零件。根据成型方法可分为两类：基于激光及其他光源的成型技术(Laser Technology)和基于喷射的成型技术(Jetting Technology)

［1］

。

三维快速成型打印机(three dimensional printing,

3DP)技术作为目前快速成形行业中最有生命力之一

的技术，主要是将原来只有XY 方向上的打印增加了Z 方向的纵向移动，最后将Z 向的各个截面结合起来

得到立体模型。此技术具有设备简单、材料便宜、材料类型广泛、工作过程中无污染、成形速度快等优点，制作速度比其他技术快5~10倍，不需要制作支承,成本远低于其他快速成型技术,广泛应用于成型工业、建筑设计、医用器械制备、气象等方面［2］。

3DP 技术由麻省理工学院Emanual Sachs 等人开

发，近几年在国外得到了迅猛发展。美国Z Cop 公司与日本Riken Institute 于2000年研制出基于喷墨打印技术的、能够做出彩色原型件的三维打印快速成型机。2000年以色列的Object Geometries 公司推出了基于结合3Dink -Jet 与光固化工艺的三维打印快速成型机Quadra 。美国3D System 、荷兰TNO 以及德国BMT 公司等都生产出自己研制的3DP 设备，但是此项技术在国内还处于研发阶段，打印机和原料均需进口，成本非常昂贵，因此，有很大发展潜力［3~5］。

13D 快速成型打印机原理

三维快速打印技术是使用喷头喷出粘结剂，选择性地将零件的截面“印刷”在材料粉末上面，最后层层将各个截面粘结起来。可用于制造复杂形状的模型、中空模型，或者制造复合材料或非均匀材料的模型等［6~7］。

图1是三维打印成型机的剖面示意图。其工艺是先由铺粉辊从左往右移动，将供粉缸里的粉末在成型缸上均匀铺上一层，然后按照计算机上设计好的零件模型，由打印头在第一层粉末上喷出零件底层截面的形状，然后成型缸平台向下移动一定距离，再由铺粉辊从供粉缸中平铺一层粉末到刚才打印完的粉末层上，然后再由打印头按照第二层截面的形状喷洒粘结剂，层层递进，最后得到的零件整体是由各个横截面层层重叠起来的。这种技术将原本只能在成型车间才能进行的工艺搬到了普通办公室，增加了应用面。

收稿日期：2011-05-17；修订日期：2011-06-26

作者简介：王

位（1986-），重庆人，硕士研究生.主要从事3D 快速

成型技术材料研究.

图1三维快速打印技术工作原理示意图

Fig.1The working principle schematic of

3DP

铸造技术

FOUNDRY TECHNOLOGY

Vol.33No.1Jan.2012

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2材料选择

目前此技术发展的最大阻碍就在于成型所需的材料，主要包括粉末和粘结剂两部分。

2.1粉末材料选择

从三维打印技术的工作原理可以看出，其成型粉末需要具备材料成型性好、成型强度高、粉末粒径较小、不易团聚、滚动性好、密度和孔隙率适宜、干燥硬化快等性质，可以使用的原型材料有石膏粉末、淀粉、陶瓷粉末、金属粉末、热塑材料或者是其他一些有合适粒径的粉末等。

成型粉末部分由填料、粘结剂、添加剂等组成。相对其他条件而言，粉末的粒径非常重要。径小的颗粒可以提供相互间较强的范德瓦尔兹力，但滚动性较差，且打印过程中易扬尘，导致打印头堵塞；大的颗粒滚动性较好，但是会影响模具的打印精度。粉末的粒径根据所使用打印机类型及操作条件的不同可从1μm到100μm［8~10］。其次，需要选择能快速成型且成型性能较好的材料。可选择石英砂、陶瓷粉末、石膏粉末、聚合物粉末(如聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、聚苯乙烯、聚乙烯、石蜡等)，金属氧化物粉末(如氧化铝等)和淀粉等作为材料的填料主体［11~18］，选择与之配合的粘结剂可以达到快速成型的目的。加入部分粉末粘结剂可起到加强粉末成型强度的作用，其中聚乙烯醇、纤维素(如聚合纤维素、碳化硅纤维素、石墨纤维素、硅酸铝纤维素等)、麦芽糊精等可以起到加固作用，但是其纤维素链长应小于打印时成型缸每次下降的高度［9，19，20］，胶体二氧化硅的加入可以使得液体粘结剂喷射到粉末上时迅速凝胶成型［16］。除了简单混合，将填料用粘结剂(聚乙烯吡咯烷酮等)包覆并干燥可更均匀地将粘结剂分散于粉末中，便于喷出的粘结剂均匀渗透进粉末内部。或者将填料分为两部分包覆，其中一部分用酸基粘结剂包覆，另一部分用碱基粘结剂包覆，当二者通过介质相遇时，便可快速反应成型。包覆方法也可有效减小颗粒之间的摩擦，增加其滚动性，但要注意包覆厚度要很薄，介于0.1~1.0μm之间［8，21，22］。

成型材料除了填料和粘结剂两个主体部分，还需要加入一些粉末助剂调节其性能，可加入一些固体润滑剂增加粉末滚动性，如氧化铝粉末、可溶性淀粉、滑石粉等，有利于铺粉层薄均匀［23，24］；加入二氧化硅等密度大且粒径小的颗粒增加粉末密度，减小孔隙率，防止打印过程中粘结剂过分渗透；加入卵磷脂减少打印过程中小颗粒的飞扬以及保持打印形状的稳定性等［9］。另外，为防止粉末由于粒径过小而团聚，需采用相应方法对粉末进行分散［25］。2.2粘结剂选择

用于打印头喷射的粘结剂要求性能稳定，能长期储存，对喷头无腐蚀作用，粘度低，表面张力适宜，以便按预期的流量从喷头中挤出，且不易干涸，能延长喷头抗堵塞时间，低毒环保等。液体粘结剂分为几种类型：本身不起粘结作用的液体，本身会与粉末反应的液体及本身有部分粘结作用的液体。本身不起粘结作用的粘结剂只起到为粉末相互结合提供介质的作用，其本身在模具制作完毕之后会挥发到几乎不剩下任何物质，对于本身就可以通过自反应硬化的粉末适用，此液体可以为氯仿、乙醇等［26］。对于本身会参与粉末成型的粘结剂，如粉末与液体粘结剂的酸碱性的不同，可以通过液体粘结剂与粉末的反应达到凝固成型的目的［16］。而目前最常用的是以水为主要成分的水基粘结剂，对于可以利用水中氢键作用相互连接的石膏、水泥等粉末适用，粘结剂为粉末相互结合提供介质和氢键作用力，成型之后挥发［27］。或者是相互之间能反应的，如以氧化铝为主要成分的粉末，可通过酸性粘结剂的喷射反应固化［23］。对于金属粉末，常常是在粘结剂中加入一些金属盐来诱发其反应［28］。对于本身不与粉末反应的粘结剂，还有一些是通过加入一些起粘结作用的物质实现，通过液体挥发，剩下起粘结作用的关键组分。其中可添加的粘结组分包括缩丁醛树脂、聚氯乙烯、聚碳硅烷、聚乙烯吡咯烷酮以及一些其他高分子树脂等［6，8，25，28，29］。选择与这些粘结剂相溶的溶液作为主体介质可应用，虽然根据粉末种类不同可以用水、丙酮、醋酸、乙酰乙酸乙酯等作为粘结剂溶剂，但目前均以水基粘结剂报道较多［9］。

如前所述，要达到液体粘结剂所需条件，除了主体介质和粘结剂外，还需要加入保湿剂、快干剂、润滑剂、促凝剂、增流剂、pH调节剂及其他添加剂(如染料、消泡剂)等，所选液体均不能与打印头材质发生反应。加入的保湿剂如聚乙二醇、丙三醇等可以起到很好的保持水分的作用，便于粘结剂长期稳定储存［9］。可加入一些沸点较低的溶液如乙醇、甲醇等来增加粘结剂多余部分的挥发速度，另外，丙三醇的加入还可以起到润滑作用，减少打印头的堵塞［16］。对于一些以胶体二氧化硅或类似物质为凝胶物质的粉末，可加入柠檬酸等促凝剂强化其凝固效果［16］。添加少量其他溶剂(如甲醇等)或者通过加入分子量不同的有机物可调节其表面张力和粘度以满足打印头所需条件［30，31］。表面张力和粘度对打印时液滴成型有很大影响，合适的形状和液滴大小直接影响打印过程成型精度的好坏［10］。为提高液体粘结剂流动性，可加入二乙二醇丁醚、聚乙二醇、硫酸铝钾、异丙酮、聚丙烯酸钠等作为增流剂，加快打印速

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