[發明專利]一種軸向熱收縮率小于0.5％的3D打印線材、制備工藝方法及制造裝置

有效

• 申請號: 201510092840.X
• 申請日: 2015-03-02
• 公開（公告）號: CN104672757B
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發明（設計）人: 趙小瓴;梁彬;李相軍
• 申請（專利權）人: 蘇州容坤半導體科技有限公司
• 主分類號: C08L55/02
• 分類號: C08L55/02;C08L67/04;C08L77/00;C08K7/14;C08K7/06;B29C69/00;B33Y80/00;B33Y10/00;B33Y30/00
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司11275
• 代理人: 劉憲池

技術領域

本發明涉及三維打印機所用的3D打印線材，尤其是指在200℃溫差下，軸向熱收縮率小于0.5％的3D打印線材。本發明還涉及3D打印線材的制備工藝方法和制備設備。

背景技術

三維打印(3DP)是在過去三十年中成功開發出來的新興制造技術，能直接從計算機輔助設計(CAD)模型生成復雜的自由曲面零件。三維打印系統通常使用逐層堆積和增量的方法來加工出所需零件原形，常用工藝方法包括熔融沉積、噴墨印刷、激光燒結、光聚合等。

熔融沉積造型(FDM)的工藝設計簡單而可靠，被認為是最常用的3D打印方法。FDM只需要加熱和加壓就可從出料口擠出熔化的線材。相比其他3D打印機器，FDM打印機由于其低價格而競爭力強，這是FDM打印機在當今增量制造業最商業化的主要原因。FDM工藝使用的熱塑性線材的材料主要是熱塑性聚合物,主要包括聚丙烯腈/丁二烯/苯乙烯聚合物(ABS)、聚乳酸(PLA)和尼龍這類材質。在打印過程中，熱塑性聚合物線材在離開出料口前被加熱到高于熔融點的溫度，然后一層一層地打印并堆積成所期望的三維結構。

但是，FDM的一個基本問題是熱塑性聚合物線材的熱膨脹系數大，根據我們對現有文獻研究，熱塑性聚合物線材的收縮率通常在2～5％,比陶瓷的高20倍以上。因此，熔化的線材在從熔融態冷卻到固體的過程中經受大級別熱收縮，這造成打印時在層間形成高殘余應力并由此而引起所打印結構的變形和翹曲。這個問題在打印大尺寸產品時尤其突出。鑒于當前的FDM線材的熱膨脹系數大，工件比較大的變形問題是一個固有的難以解決的技術問題。因為當新的熔融層被添加到舊的已固化的堆積層上時，新添加層在面內方向收縮，這將在層內產生拉伸應力，而這拉伸應力會使已固化層向上弓形翹曲。

至今為止在減少FDM打印失真的問題上業界和學術界僅取得很有限的一些進展，而這些有限進展也主要是在工藝條件和印刷路徑優化上。例如，張和周等通過有限元分析發現掃描速度是打印失真和工件變形及翹曲的最顯著影響因素，隨后是打印層的厚度。索德等使用灰色Taguchi法來優化FDM的工藝條件以提高打印精度。其他有些作者也對可能影響失真的工藝條件進行了實驗性的或模擬性的研究。他們的研究結果大同小異，一般都指出工藝條件對打印失真具有重要作用。然而，實際的影響也很大程度上依賴于零件設計本身。在最近幾年里，一些研究者也試圖開發由金屬顆粒填充的聚合物復合線材。由于金屬顆粒的熱膨脹系數小但熱導率高，一般相信這樣的復合材料可以減少線材的熱收縮，從而減少打印失真。然而，已有報告所給出的結果相當有限。主要原因是金屬顆粒的填充量不能太高否則線材會由于粘度太高而不易打印。因此，FMD打印失真的問題是急需解決的技術問題，本發明的研發目的提供一種解決FMD工藝打印失真的3D打印線材。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種3D打印線材，其具有極小的軸向熱收縮率，保證打印線材在堆積高度層面時產生的翹曲形變較小，大大減小了傳統線材在打印堆積高度層面時所產生的殘余應力。為了制作本發明的3D打印線材，本發明還需解決的技術問題是制作3D打印線材的工藝方法及相關制造裝置。通過特定的工藝方法及專門設計的設備裝置，實現本發明3D打印線材的制備。

為解決上述技術問題，本發明提供的技術方案是一種軸向熱收縮率小于0.5％的3D打印線材，其包括熱塑性聚合物線材基質，其特征在于在所述熱塑性聚合物線材基質中，沿軸向間隔錯位設置有數條玻璃纖維或碳纖維，所述玻璃纖維或碳纖維其長度方向與所述熱塑性聚合物線材軸向同向。

所述熱塑性聚合物線材基質為聚丙烯腈/丁二烯/苯乙烯聚合物、聚乳酸或尼龍。

所述玻璃纖維或碳纖維以體積比計，其占所述3D打印線材體積的10～50％。

所述玻璃纖維或碳纖維以體積比計，其占所述3D打印線材體積的20％。

所述玻璃纖維或碳纖維的直徑<10μm、彈性模量>70GPa、強度>2GPa。