[發明專利]一種常溫條件下聚合物的3D打印方法及裝置

在審

• 申請號: 202110142323.4
• 申請日: 2021-02-02
• 公開（公告）號: CN112959655A
• 公開（公告）日: 2021-06-15
• 發明（設計）人: 焦志偉;高麗潔;于源;馬昊鵬;丁玉梅;楊衛民
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: B29C64/20
• 分類號: B29C64/20;B29C64/112;B29C64/364;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y40/00;B29K79/00
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本發明提出一種常溫條件下聚合物的3D打印方法及裝置，打印方法有五步：建立三維模型；制備打印漿料；采用氣輔驅動擠出方式，由料筒經輸料管由打印噴頭擠出，打印噴頭固定在可實現X、Z軸運動的二維模組上，打印平臺上沿Y軸方向運動；環境相對濕度調控；3D打印成型。本發明裝置中的濕度控制系統由打印平臺上的加濕部件、濕度控制器、濕度傳感器、排風扇組成，加濕部件由微孔霧化噴頭和裝有蒸餾水的水箱構成，濕度控制器通過控制霧量以及排風量確定環境中的相對濕度。本發明無需對材料加熱熔融，僅通過控制環境相對濕度便可成型。適用于多種材料，能夠提供更好的成型質量，層與層之間結合緊密，也具有更好的力學性能，可擴寬打印材料的選擇范圍。

技術領域

本發明涉及3D打印領域，具體涉及一種常溫條件下聚合物的3D打印方法。

背景技術

3D打印又被稱為增材制造，它基于三維模型，利用金屬粉末或聚合物等可粘結性材料進行連續疊加、逐層增加材料形成三維實體結構，是一種快速成型技術。其中聚合物的3D打印通常以對材料進行加熱熔融為主，常用的方法有選擇性激光燒結成型和熔絲沉積成型。但兩種加工方法都有一定缺點，首先3D打印耐高溫聚合物時，打印噴頭、成型平臺以及其他打印部件均需承受更高的溫度，因此使得設備造價昂貴。其次打印材料種類受限，如無法成型一些熱固性材料、熔融溫度高于分解溫度的材料。而且打印材料的形貌受限，如選擇性激光燒結成型僅適用于聚合物粉末、熔絲沉積成型僅適用于打印線材。

發明內容

本發明提出了一種常溫條件下聚合物的3D打印方法，將溶有聚合物材料的打印漿料在打印平臺上沿設定路線擠出，通過控制空氣中環境相對濕度，實現在打印過程中漿料固化成型，按需排布并層層堆積形成三維立體結構。該過程的成型原理為：打印漿料從噴頭擠出后與空氣中水蒸氣相遇，打印漿料表面因發生相分離出現固化，表層溶劑被析出，余下的溶質即聚合物可堆積于指定位置上。

本發明一種常溫條件下聚合物的3D打印方法以耐高溫的特種工程塑料——聚醚酰亞胺(PEI)、有機溶劑為N-甲基吡咯烷酮(NMP)為例，其具體步驟包括:

步驟一：建立三維模型，對三維模型切片分層得到相應的打印路徑，選擇打印速度為10mm/s、打印層高0.48mm。

步驟二：制備40wt％PEI/NMP打印漿料，按該比例稱量PEI粉末和可溶解該聚合物的有機溶劑NMP，將稱量好的PEI粉末與有機溶劑NMP混合，經80℃、4h攪拌得到分散均一的打印漿料。其中PEI材料不溶于水，而可溶解PEI的有機溶劑NMP易溶于水。

步驟三：打印漿料擠出部分，采用氣輔驅動擠出方式，以干燥后的壓縮空氣作為打印漿料的驅動力，打印漿料受干燥處理的壓縮空氣驅動，由料筒經輸料管由打印噴頭擠出。打印噴頭固定在可實現X、Z軸運動的二維模組上，打印平臺上沿Y軸方向運動。所述的壓縮空氣的壓力選擇0.4Mpa，所述的打印噴頭直徑為0.6mm。

步驟四：環境相對濕度調控，濕度控制器通過濕度傳感器對微孔霧化器和排風扇控制環境相對濕度，當濕度傳感器感應到環境濕度達到預設值70-75％RH后，開始進行打印工作。

步驟五：3D打印成型，打印噴頭與打印平臺共同完成三維方向的運動，打印漿料通過壓力控制系統配合三維運動按需擠出，打印噴頭在環境相對濕度為70-75％RH的范圍下按照既定的打印路徑在打印平臺上鋪設打印漿料，打印漿料表層的有機溶劑NMP析出而聚合物材料PEI固化成型，聚合物材料按一定打印路徑層層堆疊得到打印坯體。

本發明一種常溫條件下聚合物的3D打印方法的打印漿料是按一定比例將高性能聚合物溶于有機溶劑中，在相應溫度下，經過一定時間的攪拌得到的均一漿料。所述的有機溶劑應可溶解聚合物同時也溶于水，所述的聚合物應溶于有機溶劑但不溶于水，所述的打印漿料的粘度滿足穩定擠出并保持一定形狀的要求。以聚醚酰亞胺(PEI)為例，打印漿料可選擇40wt％的PEI/NMP。