[發明專利]一種增強FDM 3D打印制件的力學性能的方法

有效

• 申請號: 201910217661.2
• 申請日: 2019-03-21
• 公開（公告）號: CN109774118B
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發明（設計）人: 王劍磊;王西柚;吳立新;王號朋
• 申請（專利權）人: 中國科學院福建物質結構研究所
• 主分類號: B29C64/112
• 分類號: B29C64/112;B29C64/118;B29C64/379;B29C64/209;B33Y30/00;B33Y10/00;B33Y70/00;B33Y70/10
• 代理公司: 北京知元同創知識產權代理事務所(普通合伙) 11535
• 代理人: 呂少楠

本發明涉及一種增強FDM 3D打印制件的力學性能的方法，且提出了一種基于熔融沉積成型3D打印的混合制造技術。對FDM 3D打印制件的力學性能不足的問題，在打印過程中噴灑含有海藻酸鈉粉末的乙醇溶液，在打印完成后，將制件浸入含有Ca²⁺、Zn²⁺或Fe³⁺的水溶液中靜置若干時間，利用多價離子與海藻酸鈉螯合交聯在制件的內部形成凝膠網絡狀結構，從而提高制件整體的力學性能。

技術領域

本發明涉及一種增強FDM 3D打印制件的力學性能的方法，屬于增材制造領域。

背景技術

傳統的制造技術，包括鑄造、鍛造、機械加工、注塑成型，只能制造統一造型和結構的物品。3D打印，即增材制造，不同于傳統的制造技術，沒有具體的模板或者造型作為參考，所以可以按照具體的需要制造具有不同復雜幾何形狀的產品。3D打印是利用層與層之間材料的堆積來形成各種在空間延伸的幾何形狀的技術，得益于空間分辨率的提高和多種原材料的使用，3D打印越來越廣泛地應用于消費產品、航空航天、生化器件等領域。

熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling，FDM)是目前所有3D打印技術中最普及的一種技術，其工作原理為絲狀熱塑性材料由送絲機構送進噴頭，在噴頭中加熱到熔融態，經噴嘴擠出。熔融態的絲狀材料被擠壓出來，按照三維軟件的分層數據控制的路徑擠壓并在指定的位置凝固成型，逐層沉積凝固，最后形成整個三維產品。FDM的操作環境干凈、安全，工藝簡單、易于操作，且不產生垃圾，因此大大拓寬了操作場合。其所用原材料以卷軸絲的形式提供，易于搬運和快速更換。但是現階段FDM成型方式存在本質上的缺陷。當物料從高溫噴頭擠出后僅依靠自身重力沉積在已冷卻的下層物料上，同時迅速被冷卻產生一定的收縮，造成層與層之間的空隙較大，層間結合強度小，最終使得制件整體力學性能差，因此目前FDM應用范圍被大大限制，主要集中在工藝品和手辦等行業。目前研究人員主要從打印參數和材料設計兩方面對這個問題進行探索和研究，前者通過調整打印頭的行走路徑、沉積線條的寬度、每層高度和填充度等打印參數來改善，而后者通過向基體中添加短纖維、晶須和剛性粉末等實現。

本發明針對FDM 3D打印制件的力學性能不足的問題，提出了一種增強FDM3D打印制件的力學性能的方法。在打印過程中噴灑含有海藻酸鈉粉末的乙醇溶液，利用多價離子與海藻酸鈉螯合交聯在打印完成制件的內部形成凝膠網絡狀結構，從而提高制件整體的力學性能。

發明內容

針對上述背景，本發明的目的是提供一種增強FDM 3D打印制件的力學性能的方法。本發明的另一個目的是提供一種高性能3D打印制件的制備方法。本發明的再一個目的是提供了一種基于熔融沉積成型3D打印的混合制造技術。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

采用熱塑性高分子材料進行FDM 3D打印，在打印過程中噴灑含有海藻酸鈉粉末的乙醇溶液，乙醇受熱揮發使得海藻酸鈉沉積在打印線條上或打印線條間的空隙中。打印完成后，將制件浸入含有Ca²⁺、Zn²⁺或Fe³⁺的水溶液中靜置4-6h，利用多價離子與海藻酸鈉螯合交聯形成凝膠網絡狀結構，后冷凍干燥。

所述的熱塑性高分子材料不溶于乙醇和和水，且吸水率較低，比如聚乙烯、聚丙烯、乙烯-辛烯共聚物、醚基聚氨酯等一種或幾種組合。

所述的含有海藻酸鈉粉末的乙醇溶液中，海藻酸鈉的分布密度為5-8g/L，溶液動力黏度控制在200-300cP，通過纖維素類增稠劑調節。海藻酸鈉粉末粒徑為30-50um。

所述的含有Ca²⁺、Zn²⁺或Fe³⁺的水溶液中，多價離子和海藻酸鈉的摩爾比控制在1:4-1:2.5，同時溶液中含有一定量的葡萄糖酸-δ-內脂作為凝固劑，其與海藻酸鈉的摩爾比控制在1:2-1:1.5。