三维打印快速成型机材料的研究 - 图文(4)

３成型材料和成型过程的研究３成型材料和成型过程的研究三维打印成型的材料包括粉末材料、与之匹配的粘接溶液以及后处理材料。为了满足成型要求，需要综合考虑粉末及相应粘接溶液的成分和性能。本章讨论了淀粉基、陶瓷基、石膏基复合粉末及其粘接溶液材料，详细介绍了石膏基复合粉末的基本组成和各成分特点，根据试验总结出各成分在成形过程中的作用，并对所选用粉末的和粘接溶液的相关性能进行了测定。通过对成型过程的试验研究，总结出三维打印成型制件可能出现的各种缺陷，对缺陷的产生机理进行分析，为成型材料和工艺参数的选择和优化提供依据。３．１成型材料概述３．１．１成型材料的要求材料是快速成型技术的核心，三维打印成型系统的材料包括合适的粉末材料，与之相匹配粘接溶液以及后处理材料１３Ｊ三维打印成型对粉末材料的要求为：（１）颗粒小，最好成球状，均匀，无明显团聚；（２）粉末流动性好，使供粉系统不易堵塞，能铺成薄层；（３）在溶液喷射冲击时不产生凹陷、溅散和孔洞；（４）与粘接溶液作用后能很快固化。系统采用微压电按需落下喷射模式，对所使用的溶液的要求为：（１）是易于分散、稳定的液体，能长期储存；（２）不腐蚀喷头；（３）粘度足够低，表面张力足够高，以便能按预期的流量从喷头中喷射出；（４）不易干涸，能延长喷头抗堵塞时间。三维打印成型制件的强度一般较低，表面质量较差，往往需要进行后处理以提高制件的强度或利于打磨，提高表面光洁度。后处理材料的要求为：（１）与成型制件相匹配，不破坏制件的表面质量；（２）能够迅速与制件作用，处理速度快；（３）是稳定，能长期储存的液体；（４）粉末、粘接溶液以及后处理材料都应该保证无毒，无污染，价格低廉。西安科技大学硕士学位论文３．１．２粉禾材料材料的快速成型特性被定义为：材料适用于成型的难易程度和获得优质性能的制件的能力，主要包括制件的致密程度和孔隙率、显微组织和宏观机械性能是否满足使用要求，制件的精度和表面粗糙度、收缩或变形（内应力、变形及开裂）等。材料的快速成型特性不仅和材料的本身性质有关，还和成形方法、制件的三维结构等有判１４】。影响粉末材料快速成型特性的因素包括粒度、粒度分布、颗粒形状、成分及比例、孔隙率、流动性、润湿性等。此外，由于粉末是由参差不齐的各种不同大小的颗粒所组成，而且形状各异，粉末颗粒的大小和在粉木颗粒群中所占的比例，即粉末的粒度和粒度分布直接影响着粉末的物理性能以及与液滴的作用过程。因此，需要分析粉末形状、粒度、粒度分布，粉末密度和化学成分等对三维打印成形的影响，以确定粉末材料的成分、粒度及分布和粉末孔隙率、流动性等参数。（１）粉末的形状【１５１粉末颗粒千差万别，从颗粒的构成来看可分为四大类型：原级、聚集体、凝聚体和絮凝颗粒型。最重要的是前３种。原级颗粒是最先形成粉末物料的颗粒，又称为一次颗粒或基本颗粒，它是构成粉末的最小单元。粉末的许多性能都是与它的分散状态，即与它单独存在的颗粒大小和形状有关，真正能反映出粉末的固有性能的就是它的原级颗粒。据粉末材料的种类不同，原级颗粒的形状有球状、立方体状、多面体状、片状、圆柱状、针状、纤维状、不规则状等，如图３．１所示。③伊＠球状立方体状多面体状●■，莎橄＠夕～妒圆柱状针状纤维状不规则状图３．１粉末原级颗粒形状示意图聚集体颗粒是由许多原级颗粒靠某种化学力连接而堆积起来，又称为二次颗粒。聚集体颗粒主要是在粉末的加工和制造过程中形成的。聚集体颗粒中各原级颗粒之间有很强的结合力，彼此结合得十分牢固，并且聚集体颗粒本身就很小，很难再分散成原及颗粒，必须再用粉碎的方法使其解体。凝聚体颗粒是原级颗粒或聚集体颗粒或两者的混合物，通过比较弱的附着力结合在１２３成型材料和成型过程的研究一起的疏松颗粒群，颗粒之间以棱角结合。凝聚体比聚集体颗粒要大得多，也是在粉末的制造和加工处理中产生的。原级或聚集体颗粒越小，比表面积越大，单位表面上的表面力越大，越容易凝聚，形成的凝聚体颗粒越牢固。由于凝聚体颗粒结构比较松散，他能够被某种机械力，如研磨分散力或高速搅拌的剪切力所解体。在液固分散体系中，由于粉末颗粒间的各种物理作用力，使颗粒松散地结合在一起，形成的颗粒群称为絮凝颗粒。长期存储的粉末物料与大气中的水分形成液固体系，也有絮凝体产生，形成结构松散的絮团，即料块。絮凝颗粒容易被微弱的剪切力所借絮，也容易在表面活性剂（分散剂）的作用下自行分散开来。选择无明显团聚，即无絮凝颗粒和凝聚体颗粒的粉末原料，并尽可能地选择球状的原级颗粒形状，对粉末进行干燥。使用分散剂等措施可以显著改善粉末的流变特性以及与液滴的相互作用。（２）粉末的粒度及分布粉末的粒度直接影响逐层成型的精度，粉末厚度应大于２倍以上的粉末颗粒直径，否则难以得到均匀密实的粉末平面，粉末粒度还影响液滴的润湿和毛细渗透。尺寸较大的粉末颗粒，表面比较小，在液滴的润湿过程中不易与其他颗粒渗透。尺寸较大的粉末颗粒，比表面积小，在液滴的润湿过程中不易与其他颗粒粘接；反之，粉末粒度越细则容易粘接成形，但若粒度过细，则容易形成絮凝颗粒，即粉末团聚，致使粉末不易铺成薄层，且粉末容易粘结到辊子表面上，影响成形精度。试剂使用的粉末并不是要求颗粒大小一致，可以是粉木粒度大小不一，按一定能够规则进行尺寸匹配。对于球形粉末颗粒而言，大小粉末颗粒尺寸匹配时的几何模型如图３．２所示。图３．２混合粉末颗粒匹配示意图（３）粉末的密度粉末的密度直接影响制件的密度。如前所述，粉末层中存在这大量的空隙，在粘接固化过程中，随着粉末的粘结固化，制件的密度发生变化。要想增加制件密度，必须提高粉末层的密度或提高单位面积内液滴喷射的总量。提高粉末密度的措施有改善粉末的１３西安科技大学硕士学位论文粒度分布，如在大粒度粉末中加入较小粒度的粉末；改善铺粉过程，选择合适的铺粉参数。（４）粉末的结合粉末的结合力有以下几种方式：固体颗粒之间的范德华力、静电力和磁力，这些作用力一般较小，随着粒径的增大和颗粒间距离的增大而明显下降。由可自由流动液体产生的界面张力和毛细力，颗粒间的结合力由液体的表面张力和毛细力产生，液体的加入量对结合力影响较大。不可流动液体产生的粘结力，不可流的液体包括高黏度液体以及吸附于颗粒表面的少量液体层颗粒间的固体桥，它可以由结晶析出、胶黏剂固化、熔融、烧结和化学反应等产生。颗粒间的机械镶嵌，主要发生在块状颗粒的搅拌和压缩中。三维打印成型中，粉末被液体润湿，并随着液体的渗透，在粉末颗粒间通过物理、化学反应形成固体桥，从而达到粉末粘结的目的。在这个过程中粉末之间的结合力方式主要为２、３、４，因此液滴的加入量对粉末层的固化成形起到十分重要的作用。液滴加入粉末层的量可由饱和度Ｓ来表示，即在粉末的间隙中，溶液所占体积与孔隙体积之比。溶液在粉末中的填充方式由溶液加入的量来决定，分为：①钟摆状：Ｓ＜Ｏ．３，溶液含量较少，以分散的液桥连接粉末，空隙成连续相；②索带状：０．３≤ｓ＜Ｏ．８，液体桥相连，溶液成连续相，空隙为分散相③毛细状：０．８≤Ｓ＜１如图３．３一，溶液充满粉末内部孔隙；④泥浆状：Ｓ≥１，溶液充满粉末的内部和表面。《孕㈧一、ｒ，ｐ＼双一×一索带状毛细状图３．３溶液在粉末中的填充方式＠泥浆状１４钟摆状三维打印成型中，粉末在溶液中的填充方式应该位于索带和毛细状之间，ｎＰｏ．３≤Ｓ＜１，这样既能保证粉末被充分润湿，又能保证不至产生泥浆状的粘接，使液滴在粉末表面散开，从而影响叠层成形的精度。３成型材料和成型过程的研究３．１．３粘结溶液材料粘接溶液必须具有低的黏度和较高的表面张力才能满足按需下落喷射的要求，此外它还能够与粉末相匹配。粘接溶液包含粘接剂、载体以及添加剂（黏度调节剂、防菌剂、防堵塞剂、助溶剂、分散剂、ＰＨ调节剂、等），但这些成分不一定全部加入，而是根据需要分别使用。迄今为止，尚无普遍适用的标准粘接溶液配方，但所有溶液配方必须满足一定的总体技术要求如粘度、表面张力、均匀性、稳定性等。（１）粘接溶液的性能粘接溶液的性能包括理化性能和喷射性能，其理化性能的要求为：安全性：如无毒、不易燃等：纯度：溶液中不能含有大颗粒杂质、悬浮颗粒直径一般必须控制在ｌｕｍ以下；表面张力：相对要高，一般要求在３０－５０ｍＮ＼ｍ之间；粘度：相对要小，一般要求为卜１０ｃｐｓ，最好控制在２－４ｃｐｓ之间；ＰＨ值：一般需要控制在４—８之间，在本文中最好呈弱碱性；其他：如比重、含固量、分散稳定性、存储稳定性、抗凝聚性和抗沉淀性等。粘结溶液的喷射性能要求为：液滴的形式：必须得到均匀的液滴尺寸、恒定的液滴速度等；防喷嘴堵塞；溶液中的各种成分不能在成形过程中堵塞喷嘴；溶液对喷嘴结构表面的润湿性和适应性要好；防止微生物繁殖生长；溶液干燥速度适宜，不会因干涸堵塞喷嘴。（２）水基粘接溶液本文中粘结溶液的研制思路如下：与粉末相匹配，粘结性能好；粘结剂具有溶剂度打，能被充分分散，有良好的酸碱缓冲能力和抗凝聚能力；为防止喷嘴堵塞，必须加入适当的保湿剂等；为了是溶液具有适宜的表面张力和黏度，具有良好的喷射和粘结固化性能，需要加入表面张力和黏度调节剂等添加剂；无毒，无污染，价格低廉。水基粘接溶液粘度低，表面张力适合，其物化性质较稳定，受温度影响较小，具有不燃性，无毒，无污染，适用于按需落下喷射模式，符合三维打印成型的研制要求。溶液中的主要成分及其作用为：溶剂：一般采用去离子水和水溶性有机溶剂的混合物，如醇、多元醇、多糖等。其作用是提高溶液的稳定性，使粘度、表面张力等不易随温度变化而改变，不易堵塞。此１５