CN106278087A - 一种基于石膏基粉改性的3d打印材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石膏粉改性的3D打印材料，按照重量份数计，基础复合粉末包括：50‑90份二水硫酸钙，25‑45份改性剂，1‑5份填充材料，0‑2份纤维，60‑80份改性溶剂；水基粘结溶液包括：70‑80份蒸馏水，5‑10份甘油，8‑10份硫酸钾，5‑10份无水乙醇，1‑2份表面活性剂；本发明结合三维成型原理，对石膏基粉末进行了改性，使得石膏粉末硬化速度提高，满足打印材料快速成型需求。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印领域，具体涉及一种基于石膏基粉改性的3D打印材料。
背景技术
三维快速成型技术是现在制造技术中较为热门的技术，是一种叠层制造技术，其原理是通过向物品分层添加材料创造实物。其通过离散获得堆积的路径、限制和方式，通过堆积材料叠加形成三维实体，与计算机系统结合，以提高快速成型效率和精度，与传统的去除成型形成鲜明的对照，其工艺流程主要包括三维模型构造、近似处理、切片处理、截面加工、截面叠加、后处理等。
其中3DP工艺采用三维立体成型，通过喷头用粘结剂将零件的截面打印在材料粉末上面，或者将成型树脂一层一层喷出，分别固化粘结成型，其成型过程是将各个二维截面重叠粘结成为一个三维实体，该方法具有速度快的有点，适合制造各种复杂形状的零部件，并且无污染。
不同的快速成型技术对成型材料有不同的要求，但是快速精确成型是对三维打印材料的要求，成型材料很大程度上决定了快速成型技术的成败，但是现在常用的三维快速成型材料存在以下缺陷：(1)材料中含有大量难以降解的组分，对环境造成压力；(2)材料的成本较高，对小型企业来说，生产成本压力较高；(3)粉末材料的流动性较差，会出现在模具中积料的现象，不但影响打印效率，而且会造成产品表面不光滑的现象，影响打印成型产品的质量；(4)材料成型固化较慢，影响打印效率和打印精度。
因此，怎样从打印材料配方的改进来提高3D打印质量，是本领域内函待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种基于石膏基粉改性的3D打印材料，本发明结合三维成型原理，对石膏基粉末进行了改性，使得石膏粉末硬化速度提高，满足打印材料快速成型需求。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于石膏粉改性的3D打印材料，材料包括基础复合粉末和水基粘结溶液，按照重量份数计，所述基础复合粉末包括：
所述水基粘结溶液包括：
其中，用所述分散剂将所述二水硫酸钙改性，改性后的硫酸钙的堆积密度为0.7g/cm2，改性后的硫酸钙的孔隙率为0.72，所述分散剂包括：硬脂酸、十二烷基硫酸钠、促凝改性剂，所述促凝改性剂为平均分子量在200-6000的有机高分子聚合物；
所述水基粘结溶液涂4杯粘度为9.5-10s，导电率小于6000μs/cm，pH为7-8，表面张力为40-50mN/m。
进一步优选地，将50-90份二水硫酸钙和25-45份分散剂，使二水硫酸钙与分散剂的质量之比为2:1，将二水硫酸钙和分散剂投入至改性溶剂中，在50℃水浴温度下，150-350r/min搅拌1h,然后将改性后的硫酸钙在140-150℃下，干燥2-3h，然后与填充材料和纤维混合均匀，制得基础复合粉末。
进一步优选地，所述改性溶剂包括以下中的一种或几种：乙酸乙酯、乙酸丁酯、无水乙醇、丙酮。
进一步优选地，所述填充材料包括：二氧化硅、石灰粉、玻璃微球，所述填充材料的粒径10-100μm。
进一步优选地，所述纤维包括以下中的一种或几种：玻璃纤维、木质纤维、矿物纤维、碳纤维，所述纤维长度为10-50nm。
本发明的有益效果是:
本发明结合三维成型原理，对石膏基粉末进行了改性，使得石膏粉末硬化速度提高，满足打印材料快速成型需求；并且对二氧化硅粉末也进行了改性分散、提高了材料的分散性能，降低了表面能，控制粉末粒径，保证材料粉末均匀细腻，使粉末混合均匀，通过控制各组分的含量，制得成型速度快、成型精度高、强度好、并且价格低廉的3D打印材料。
本发明的基于石膏基粉改性的3D打印材料能够与水基粘结剂配合使用，水基粘合剂具有无毒无污染的优点，与粉末材料配合制备出的成型产品的表面质量好，成型快，产品的抗压强度较好。
本发明的材料配方中，通过分散剂对二水硫酸钙改性，并且确定了二水硫酸钙与改性剂的重量之比为2:1，然后选择乙酸乙酯等改性溶剂作为分散介质，然后在50℃水浴温度下，150-350r/min搅拌1h,然后将改性后的硫酸钙在140-150℃下，干燥2-3h，然后与填充材料和纤维混合均匀，制得基础复合粉末。促凝改性剂等分散剂由于其分子结构，能够较好的吸附在硫酸钙粉末的表面，遇水收缩，加快了二水硫酸钙水化，并使其水化时迅速紧密，改性后的硫酸钙粉末能够更快的硬化，提高快速成型速度。
本发明的材料中选择了合适的水基粘结剂配方，水基粘结溶液涂4杯粘度为9.5-10s，导电率小于6000μs/cm，pH为7-8，表面张力为40-50mN/m，该粘结剂挥发速度适宜，对基础粉末有良好的促进硬化效果，打印精度好，速度快，并且打印后干燥较快，稳定性好，相对成本较低，安全无毒无味。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，本发明的具体实施方式由以下实施例详细给出。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
实施例1中公开了一种3D打印材料，该材料组成如表1中所示。
表1实施例1中的配方表
实施例2
实施例2中的打印材料的配方组成如表2中所示，
表2实施例2中的配方表
实施例2与实施例1中的区别为改性剂不同，实施例2中选用促凝改性剂是一种有机高聚物，其平均分子量为200-6000，并且通过多组对比试验验证，当分子量为600时材料的粉末滚动性、分散性较好，因此，在后续实施例中，以分子量600的促凝改性剂为例。
上述改性剂还可以选择硬脂酸，对比硬脂酸、二十烷基硫酸钠和促凝改性剂，使用促凝改性剂改性的硫酸钙的粉末颗粒滚动性较好，硬化好，因此，在后续实施例中，以促凝改性剂作为优选的改性剂。
实施例3
实施例3中的配方如表3中所示。
表3实施例3中的配方表
实施例4
实施例4中的配方如表4中所示。
表4实施例4中的配方表
上述实施例1-4中，具体的，上述改性溶剂包括：乙酸乙酯、乙酸丁酯、无水乙醇、丙酮。填充材料包括：二氧化硅、石灰粉、玻璃微球，上述填充材料的粒径10-100μm。上述纤维包括：玻璃纤维、木质纤维、矿物纤维、碳纤维，上述纤维长度为10-50nm。
上述实施例中，对硫酸钙改性的工艺条件：将50-90份二水硫酸钙和25-45份分散剂，使二水硫酸钙与分散剂的质量之比为2:1，将二水硫酸钙和分散剂投入至改性溶剂中，在50℃水浴温度下，150-350r/min搅拌1h,然后将改性后的硫酸钙在140-150℃下，干燥2-3h，然后与填充材料和纤维混合均匀，制得基础复合粉末，过200目筛。
其中，用上述分散剂将上述二水硫酸钙改性，改性后的硫酸钙的堆积密度为0.7g/cm2，改性后的硫酸钙的孔隙率为0.72，上述分散剂包括：硬脂酸、十二烷基硫酸钠、促凝改性剂，上述促凝改性剂为平均分子量在200-6000的有机高分子聚合物；
上述水基粘结溶液涂4杯粘度为9.5-10s，导电率小于6000μs/cm，pH为7-8，表面张力为40-50mN/m。
对比例
对比例中以实施例2中的配方对比，未对硫酸钙做改性，如表5中所示。
表5对比例配方
性能测试
按照表2-5中的配方，配置4组复合粉末，每组粉末混合充分并且干燥，过200目筛，然后对上述的四组复合粉末分别进行三维打印成型试验，获得成型产品。
首先测试四组不同材料中基础粉末的硬化时间，其中搅拌速度都是350r/min，搅拌温度都是50℃，搅拌时间都是1h的时间。
分别称量上述四组成型产品的重量，并且对四组成型产品的X、Y、Z三个方向上的尺寸进行测量，计算出成型产品尺寸的相对变形量和密度。测量X、Y、Z方向上的抗压强度，四组产品在X方向上抗压强度最强，Z方向上抗压强度最小。
在3D成型过程中，Y方向为辊轮移动方向，容易形成错层和阶梯状缺陷，成型件在Y方向上的强度要比X方向上小；Z方向为层堆积方向，强度最小，并且Z方向上受到材料性能的影响最大，因此，评价一种材料的好坏，其制备的成型件在Z方向上的强度最关键，因此，在本测试实施例中，仅仅对成型件Z方向上的抗压强度进行测量即可。
然后再对上述四组成型产品的表面质量进行评价，可以根据表面平整光滑程度、分辨率、表面有无颗粒感、有无气孔、裂纹或者表面剥落作为成型产品表面评价的依据，平切将表面质量分为1-10个取值，其中10的表面质量最好。
表6性能测试结果表
由表6中的结果可以看出，实施例2中的硬化时间最短，且表面质量最好，因此，以实施例2作为最佳实施例。
上述的基于石膏基粉改性的3D打印材料能够与水基粘结剂配合使用，水基粘合剂具有无毒无污染的优点，与粉末材料配合制备出的成型产品的表面质量好，成型快，产品的抗压强度较好。
上述的材料配方中，通过分散剂对二水硫酸钙改性，并且确定了二水硫酸钙与改性剂的重量之比为2:1，然后选择乙酸乙酯等改性溶剂作为分散介质，然后在50℃水浴温度下，150-350r/min搅拌1h,然后将改性后的硫酸钙在140-150℃下，干燥2-3h，然后与填充材料和纤维混合均匀，制得基础复合粉末。促凝改性剂等分散剂由于其分子结构，能够较好的吸附在硫酸钙粉末的表面，遇水收缩，加快了二水硫酸钙水化，并使其水化时迅速紧密，改性后的硫酸钙粉末能够更快的硬化，提高快速成型速度。
上述的材料中选择了合适的水基粘结剂配方，水基粘结溶液涂4杯粘度为9.5-10s，导电率小于6000μs/cm，pH为7-8，表面张力为40-50mN/m，该粘结剂挥发速度适宜，对基础粉末有良好的促进硬化效果，打印精度好，速度快，并且打印后干燥较快，稳定性好，相对成本较低，安全无毒无味。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (5)
1.一种基于石膏粉改性的3D打印材料，材料包括基础复合粉末和水基粘结溶液，其特征在于，按照重量份数计，所述基础复合粉末包括：
所述水基粘结溶液包括：
其中，用所述分散剂将所述二水硫酸钙改性，改性后的硫酸钙的堆积密度为0.7g/cm2，改性后的硫酸钙的孔隙率为0.72，所述分散剂包括：硬脂酸、十二烷基硫酸钠、促凝改性剂，所述促凝改性剂为平均分子量在200-6000的有机高分子聚合物；
所述水基粘结溶液涂4杯粘度为9.5-10s，导电率小于6000μs/cm，pH为7-8，表面张力为40-50mN/m。
2.根据权利要求1所述的基于石膏粉改性的3D打印材料，其特征在于，将50-90份二水硫酸钙和25-45份分散剂，使二水硫酸钙与分散剂的质量之比为2:1，将二水硫酸钙和分散剂投入至改性溶剂中，在50℃水浴温度下，150-350r/min搅拌1h,然后将改性后的硫酸钙在140-150℃下，干燥2-3h，然后与填充材料和纤维混合均匀，制得基础复合粉末。
3.根据权利要求1或2所述的基于石膏粉改性的3D打印材料，其特征在于，所述改性溶剂包括以下中的一种或几种：乙酸乙酯、乙酸丁酯、无水乙醇、丙酮。
4.根据权利要求1或2所述的基于石膏粉改性的3D打印材料，其特征在于，所述填充材料包括：二氧化硅、石灰粉、玻璃微球，所述填充材料的粒径10-100μm。
5.根据权利要求1或2所述的基于石膏粉改性的3D打印材料，其特征在于，所述纤维包括以下中的一种或几种：玻璃纤维、木质纤维、矿物纤维、碳纤维，所述纤维长度为10-50nm。
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