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CN105599103B - 一种无机材料的3d打印成型方法 - Google Patents

一种无机材料的3d打印成型方法 Download PDF

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Abstract

一种无机材料的3D打印成型方法，本发明采用间接成型的方法对无机材料进行3D打印成型，利用液态水在低温条件下快速凝固结冰的原理，先将由无机材料和无机粘结剂混合制成的混合料通过水的凝结进行成型，再通过成型后内部无机粘结剂中粘合剂与固化剂的反应，将无机材料粘结形成整体制得初胚，最后解冻干燥后得到产品，制得的产品尺寸精度好，成型形状容易控制，且方法简单可靠，成本低廉，解决了无机材料在3D打印成型中存在的成型困难，成本高的缺陷，促进了3D打印成型技术在生活中的推广应用，具有广阔的市场前景。

Description

一种无机材料的3D打印成型方法
技术领域
本发明涉及一种3D打印成型方法，具体涉及一种无机材料的3D打印成型方法。
背景技术
3D打印技术又称增材制造技术，是快速成型领域的一种新兴技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。随着3D打印技术的发展和应用，材料成为限制3D打印技术未来走向的关键因素之一，在某种程度上，材料的发展决定着3D打印能否有更广泛的应用。目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等，除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料、木质材料以及砂糖等食品材料也在3D打印领域得到了应用。
众多3D打印材料的开发和使用，虽然拓展了3D打印技术的应用范围，但同时也带来了更多的问题，如：成型材料性能不稳地、成型步骤太多、成型是使用的辅助材料成本太高、成型的产品力学性能不够等等问题。对于无机材料的3D打印成型，大多采用添加有机粘结剂进行粘结成型的方法，如中国专利公开号CN103936392A公开的一种3D打印无机粉末成型材料的制备方法中，采用了大量的有机粘结剂进行粘结成型，有机材料的添加会导致产品不耐高温的缺陷；一部分采用了无机粘结材料进行粘结成型，如中国专利公开号CN104310918A公开的一种用于3D打印技术的水泥基复合材料及其制备方法和用途中，采用了水泥作为粘结材料，但无机粘结剂固化时间慢的缺陷造成产品尺寸精度差，成型形状控制困难的缺陷；中国专利公开号CN104108131A公开的一种陶瓷材料的3D打印成型方法中借用了低温条件下冷冻的凝胶材料进行成型，但存在同样需要进行烧结处理的缺陷。因此，找到一种快速固化的无机粘结剂或新的成型方法是解决上述问题的有效办法之一。
发明内容
本发明针对目前无机材料采用无机粘结剂的3D打印成型方法存在尺寸精度差，成型形状控制困难的缺陷提出了一种无机材料的3D打印成型方法。
本发明一种无机材料的3D打印成型方法，其特征在于是一种利用水在低温条件下凝结成冰的原理，先将无机材料通过水的凝结进行成型，再通过成型后内部无机粘结材料粘结形成整体从而得到产品的方法，具体步骤如下：
1、将50-70重量的无机材料、20-30重量份的无机粘结剂、45-80重量份的水进行充分的搅拌混合后得到3D打印混合料；
2、根据需要在计算机中设计3D打印三维立体结构模型，并将模型导入3D打印机中；
3、将步骤1得到的3D打印混合料加入3D打印机的料槽中，并将3D机的打印平台放入温度为-25—-20℃的低温环境中；
4、启动3D打印机进行3D打印，打印喷头将料槽中的混合料根据模型进行精确的控制并喷洒在打印平台上，在低温环境中，混合料中的水因低温快速凝结成冰，从而固化，重复喷洒过程，这样一层一层堆积起来形成需要的产品形状，得到初胚；
5、将步骤4)得到的初胚放置在温度为-10—-5℃的干燥的冷冻室中10-14h，然后取出进行解冻并干燥得到产品。
上述一种无机材料的3D打印成型方法，其中所述的无机材料为直径0.1-5μm的硅藻土、河沙、海泡石、矿渣中的一种或多种。
上述一种无机材料的3D打印成型方法，其中所述的无机粘结剂由粘合剂与固化剂按4∶1的质量比混合而成；其中粘合剂为硅酸盐、磷酸盐、胶态硅石、烷基硅酸盐中的一种或多种；固化剂为硅氟化物、磷酸盐、硼酸盐中的一种或多种。
本发明采用间接成型的方法对无机材料进行3D打印成型，利用液态水在低温条件下快速凝固结冰的原理，将3D打印成型的平台放置在低温环境中，在打印过程中，先将由无机材料和无机粘结剂混合制成的混合料通过水的凝结进行成型，再通过成型后内部无机粘结剂中粘合剂与固化剂的反应，将无机材料粘结形成整体制得初胚，最后解冻干燥后得到产品，制得的产品尺寸精度好，成型形状容易控制，且方法简单可靠，成本低廉，解决了无机材料在3D打印成型中存在的成型困难，成本高的缺陷，促进了3D打印成型技术在生活中的推广应用，具有广阔的市场前景。
本发明突出的特点和有益效果在于：
1、本发明是一种利用水在低温条件下凝结成冰的原理，先将无机材料通过水的凝结进行成型，再通过成型后内部无机粘结材料粘结形成整体从而得到产品的方法。
2、本发明方法中使用的粘结剂为无机粘结剂，与无机材料本质相同，不会污染或影响石材的天然性。
3、本发明方法制得的产品尺寸精度好，成型形状容易控制，且方法简单可靠，成本低廉。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
1、将50重量的硅藻土、20重量份的硅酸钠、5重量份的硅氟化物、50重量份的水进行充分的搅拌混合后得到3D打印混合料；
2、根据需要在计算机中设计3D打印三维立体结构模型，并将模型导入3D打印机中；
3、将步骤1得到的3D打印混合料加入3D打印机的料槽中，并将3D机的打印平台放入温度为-25℃的低温环境中；
4、启动3D打印机进行3D打印，打印喷头将料槽中的混合料根据模型进行精确的控制并喷洒在打印平台上，在低温环境中，混合料中的水因低温快速凝结成冰，从而固化，重复喷洒过程，这样一层一层堆积起来形成需要的产品形状，得到初胚；
5、将步骤4)得到的初胚放置在温度为-10℃的干燥的冷冻室中10h，然后取出进行解冻并干燥得到产品。
实施例2
1、将70重量的河沙、24重量份的磷酸钠、6重量份的硅氟化物、80重量份的水进行充分的搅拌混合后得到3D打印混合料；
2、根据需要在计算机中设计3D打印三维立体结构模型，并将模型导入3D打印机中；
3、将步骤1得到的3D打印混合料加入3D打印机的料槽中，并将3D机的打印平台放入温度为-20℃的低温环境中；
4、启动3D打印机进行3D打印，打印喷头将料槽中的混合料根据模型进行精确的控制并喷洒在打印平台上，在低温环境中，混合料中的水因低温快速凝结成冰，从而固化，重复喷洒过程，这样一层一层堆积起来形成需要的产品形状，得到初胚；
5、将步骤4)得到的初胚放置在温度为-10℃的干燥的冷冻室中14h，然后取出进行解冻并干燥得到产品。
实施例3
1、将60重量的海泡石、16重量份的胶态硅石、4重量份硼酸钠、45重量份的水进行充分的搅拌混合后得到3D打印混合料；
2、根据需要在计算机中设计3D打印三维立体结构模型，并将模型导入3D打印机中；
3、将步骤1得到的3D打印混合料加入3D打印机的料槽中，并将3D机的打印平台放入温度为-22℃的低温环境中；
4、启动3D打印机进行3D打印，打印喷头将料槽中的混合料根据模型进行精确的控制并喷洒在打印平台上，在低温环境中，混合料中的水因低温快速凝结成冰，从而固化，重复喷洒过程，这样一层一层堆积起来形成需要的产品形状，得到初胚；
5、将步骤4)得到的初胚放置在温度为-5℃的干燥的冷冻室中12h，然后取出进行解冻并干燥得到产品。
实施例4
1、将55重量的矿渣、20重量份的烷基硅酸盐、5重量份的磷酸钾、60重量份的水进行充分的搅拌混合后得到3D打印混合料；
2、根据需要在计算机中设计3D打印三维立体结构模型，并将模型导入3D打印机中；
3、将步骤1得到的3D打印混合料加入3D打印机的料槽中，并将3D机的打印平台放入温度为-21℃的低温环境中；
4、启动3D打印机进行3D打印，打印喷头将料槽中的混合料根据模型进行精确的控制并喷洒在打印平台上，在低温环境中，混合料中的水因低温快速凝结成冰，从而固化，重复喷洒过程，这样一层一层堆积起来形成需要的产品形状，得到初胚；
5、将步骤4)得到的初胚放置在温度为-6℃的干燥的冷冻室中11h，然后取出进行解冻并干燥得到产品。
实施例5
1、将65重量的硅藻土、24重量份的烷基硅酸盐、6重量份的硼酸钾、70重量份的水进行充分的搅拌混合后得到3D打印混合料；
2、根据需要在计算机中设计3D打印三维立体结构模型，并将模型导入3D打印机中；
3、将步骤1得到的3D打印混合料加入3D打印机的料槽中，并将3D机的打印平台放入温度为-24℃的低温环境中；
4、启动3D打印机进行3D打印，打印喷头将料槽中的混合料根据模型进行精确的控制并喷洒在打印平台上，在低温环境中，混合料中的水因低温快速凝结成冰，从而固化，重复喷洒过程，这样一层一层堆积起来形成需要的产品形状，得到初胚；
5、将步骤4)得到的初胚放置在温度为-8℃的干燥的冷冻室中14h，然后取出进行解冻并干燥得到产品。

Claims (3)

1.一种无机材料的3D打印成型方法，其特征在于将无机材料和无机粘结剂通过水的凝结进行成型，再通过成型后内部粘结作用形成整体从而得到产品的方法，具体步骤如下：
（1）、将50-70重量的无机材料、20-30重量份的无机粘结剂、45-80重量份的水进行充分的搅拌混合后得到3D打印混合料；
（2）、根据需要在计算机中设计3D打印三维立体结构模型，并将模型导入3D打印机中；
（3）、将步骤1得到的3D打印混合料加入3D打印机的料槽中，并将3D机的打印平台放入温度为-25—-20℃的低温环境中；
（4）、启动3D打印机进行3D打印，打印喷头将料槽中的混合料根据模型进行精确的控制并喷洒在打印平台上，在低温环境中，混合料中的水因低温快速凝结成冰，从而固化，重复喷洒过程，这样一层一层堆积起来形成需要的产品形状，得到初胚；
（5）、将步骤（4）得到的初胚放置在温度为-10—-5℃的干燥的冷冻室中10-14h，然后取出进行解冻并干燥得到产品。
2.根据权利要求1所述的一种无机材料的3D打印成型方法，其特征在于所述的无机材料为直径0.1-5μm的硅藻土、河沙、海泡石、矿渣中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种无机材料的3D打印成型方法，其特征在于所述的无机粘结剂由粘合剂与固化剂按4∶1的质量比混合而成；其中粘合剂为硅酸盐、磷酸盐、胶态硅石中的一种或多种；固化剂为硅氟化物、硼酸盐中的一种或多种。
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