三维打印快速成型机材料的研究 - 图文(6)

３成型材料和成型过程的研究无机纳米粉末材料。由于具有优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性而在橡胶、塑料、电子、涂料、胶粘剂和密封剂等领域得到广泛的应用。气相白炭黑可作为分散剂来调节粉末的流动性。粉末流动性差可能由各种原因造成，最常见的原因是产品表面存在湿气和油脂。其他影响因素还包括结晶、范德华力、颗粒大小等，但这些因素影响较小。采用气相白炭黑包覆粉末的颗粒表面，使表面湿气被吸收，粉末颗粒间形成隔离，从而防止粉末结块。此外由于白炭黑的微滚珠效应，使颗粒间的摩擦减小，起到改善粉术流动性的作用。亲水和疏水性气相白炭黑都可以提高粉末的流动性，疏水性气相白炭黑对吸湿性粉末特别有效。（５）聚乙烯呲咯烷酮瞄８１聚乙烯呲咯烷酮（ＰｏｌｙｖｉｎｙｌＰｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ，ＰＶＰ），是一种非离子型水溶性高分子聚合物，具有许多优良的物理化学性能：易溶于水，安全无毒；能与多种高分子、低分子物质互溶或复合；具有优良的吸附性、成膜性、粘接性及生物相容性，且热稳定性良好。目前它被广泛用于医药、化妆品、酿造、饮料、食品和纺织等领域。在溶液中加入少量的ＰＶＰ不仅可以提高粘接效果，还可以起到增流剂的作用。３．３成型材料的制备及试验３．３．１粉末和粘接溶液的制备本文重点研究的成型材料是以高强石膏粉为主的复合粉末和与之相匹配的水基粘接溶液。作者选择的口高强石膏粉末的初凝时间小于６分钟，终凝时间小于３０分钟，绝干抗压强度大于２０ＭＰａ。粉末材料的粒度为２００目，其颗粒的平均直径为７５ｕｍ，能够满足当前精度要求，且不易出现团聚。水基溶液中蒸馏水的含量约为９５％，喷头停滞２０分钟后重新启动无明显堵塞现象。通过大量试验和配方设计，选择一定量的ＰＶＡ和ＨＥＣ作为粘接剂，少量无水硫酸钙作为速凝剂，少量二氧化硅作为分散剂以提高粉末的流动性等在试验中取得了良好的效果。其中ＰＶＡ为山西三维化工有限公司的ＰＶＡ粉末，型号为１７—８８，易分散于冷水，平均聚合度为１７００－１８００。ＨＥＣ是无锡三友的粉末，能溶于冷水。与之匹配的粘接溶液以蒸馏水为主，其中加入少量ＰＶＰ作为粘接剂和增流剂，少量乙二醇或甘油作湿润剂，以及少量的硫酸钾作促凝剂，异丙醇为增溶剂，丁酸乙酷为增流剂，此外加入十二烷基硫酸钠作为表面活性剂。粘接溶液经过充分混合和精细过滤后注入按需落下微压电喷头。３．３．２粉末性能的测量粉术的密度、孔隙率、流动性以及粉末的润湿性能对成型过程有着直接的影响，需２ｌ西安科技大学硕士学位论文要对粉末性能进行测量ｆ２９１，为选择合适的粉末材料和进行粉末配方的优化提供数据。下面对粉末性能的测量是针对同１批弓的高强石膏粉末。图３．，１为我们自己配置的复合粉末，其流动性良好，粒度在２００日左右，与粘结溶液作用后成型件抗压强度足够。图３．４ｉｔｌ己配的复合粉末材料（１）粉术密度的侧量①真实密度的定义和测量粉末的密度分为真密度和堆积密度，测量方法也不相同。由于粉末中呵能存在相当多的内部孔隙和大量的点阵空位，粉末的实际密度与根据Ｘ射线分析所测得的点阵常数数据而计算出的密度有显著差别，因此测量粉术的真密度具有蕈要的意义。粉术真密度被定义为单位体积内净粉术所具有的重量。本文采用比重瓶法进行测量，方法如下：取一定量的样品放入一个经过仔细干燥烘干，并经过称量的比重瓶中，当粉末装满比重瓶容积的２／３以后，再进行称量。然后用己知密度的液体充满比重瓶其余的空问．再称量装满液体和粉末的比重瓶，根据下式计算粉末的真密度：ｈ，１．一＝———————二：———————二———一Ｇ２一ｑ风Ｇ１一Ｇ，ｙ————Ｔ，（３．１２）其中，Ｐ。为粉术真密度，Ｐ。为己知液体的密度，矿为比重瓶的容积，Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３分别为比重瓶、装有粉末的比重瓶、装有粉末和液体的比重瓶的重量。所选择的己知密度液体对粉木真密度的测量影响很大，这种液体应该能很好地润湿２２３成型材料和成型过程的研究粉末，并且与粉末不发生任何化学作用，此外，还应该具有稳定的密度，最小的蒸汽压、粘度、表面张力等。本试验中采用苯作为己知密度液体，其密度十分稳定，风２０?８９７９／删。取１００ｍｌ的比重瓶，经测量：Ｇｌ：１８．５９，Ｇ２：５９９，Ｇ３：８２．３９Ｎ，－－Ｉ计算出粉末的密度为ｐ。＝１．８７９／ｍｍ３。②堆积密度的定义和测量堆积密度是按粉末的堆积体积计算的密度，其堆积体积包括粉末的净体积和粉末间的孔隙体积。堆积密度小于真密度，其值与粉末的形状、粉末的粒度和粒度分布、粉末的堆积方式以及测量条件有关。三维打印成型中松散的粉未经辊子的转动和平动被铺平和压实，辊子直径、表面状况以及转动和平动速度等都会影响到粉末的堆积密度。本试验中，堆积密度的测量方法是，在三维打印成型的工作平面上选择一固定区域，由反复的铺粉运动得到一定厚度的压实粉末，收集这部分的粉末，对其重量进行称量，并计算其堆积的体积，按下式计算Ｇ＾假密度：见５霄（３．３）其中，岛为粉末的堆积密度：圪为粉末堆积体积；Ｇ粉末的重量。对一批粉末，测量４次，最终的假密度值耿其平均值。取２０ｍｌ压实粉末，经测量，其重量Ｇ＝２０９，其堆积密度岛＝０．９２９／ｍｍ３。（２）粉木孔隙率的测量孔隙率又称为自由体积百分数，即粉末间的孔隙体积占粉末堆积体积的百分数，可占：三盟：１一生Ｔ，Ｔ，用下式计算：∥６ｙ６（３．４）其中，占为粉末孔隙率，７ｐ为粉末体积。与粉末的堆积密度一样，孔隙率受到粉末的形状、粉末的粒度和粒度分布、粉末的堆积方式的影响。孔隙率与粉末密度之间的关占＝１一丝系可用下式换算：级（３．５）经计算粉末铺覆并压实后的孔隙率ｓ＝０．４９。在三维打印成型中，孔隙率越大，液滴在粉末表面的渗透越快，但会导致制件的致密度降低，表面精度下降，需要合理控制孔隙率。（３）粉末流动性的测量粉末流动性的好坏对粉末的铺平尤为重要。粉末流动性的测量主要有休止角、滑动西安科技大学硕士学位论文角和流速等方法。粉末的流速是指在一定时间内从一标准漏斗中流出的粉末量，或者是一定量的粉末流出所需的时间。在本文的实验中，采用流速的方法来测量粉末的流动性，方法如下：选取一标准玻璃漏斗，其尺寸为大端直径１２０ｒａｍ，漏斗锥角６０。，漏斗的导管长１２０ｒａｍ，导管的内径１０ｒａｍ操作步骤为：①将粉末过２００目标准筛；②将漏斗导管口堵住，将６５９的粉末到入漏斗；③开启导管口，用秒表记录粉末流出的时间。ｔ；＂２一６５④粉末的流动速度Ｋ按下式计算：‘（３．６）未经改性的石膏粉木流动性很差，除了导管中的粉末落下外，其余粉末在漏斗中形成拱桥，只有通过振动才能使其落下。改变粉末的粒度或在粉末中加入一定的添加剂，如白碳黑等，可显著改善粉末的流动性，如图３．５所示。＋。：氧化硅含量对粉末流动性的影晌规律图３．５二氧化硅含量对粉末流动性的影响曲线由上图可以看出当二氧化硅含量超过２％以后粉末流动性无明显增加，而且二氧化硅含量过高的化会影响到粉末的粘结性能，所以其含量不宜超过２％。（３）粉末粒度的测量粉末的粒度直接关系到成型件的成型质量。我们使用珠海欧美克科技有限公司的ＬＳ９００．Ｖ４．００Ｂ激光粒度分析仪分析我们开发粉末的粒度。３成型材料和成型过程的研究粒经ｆｐｍ）０，０５０，０６０．０８０１００１２０１５０１９０２４０，３００。３８０－Ｉ？０．Ｓ９０７４０９３徽特军积’粒绳１１Ｓ瞄）０００００００．０００．０００．００Ｏ．０００．００００００００００ａＯ，０１Ｏ０１００２（％），∞ｍ）００００，０００．０００．０００，０００．００Ｏ．００Ｏ０１Ｏ。０１０ｃ｝１Ｏ，０２０．０３０，０５１４５１８２２．２８２８５３５７４４７．５５孽７００８７７微分（％）００３０，０ｑ００７０．１１０．１６０．２６０，３９０，６１０．９４累积Ｏ，０８０，１２０１９０．３００４６０７２１．１１１７２２舔６４．１０８．２８９５７１４４，５２１４９粒经２７Ｏ３３，８ｑ２，３５２．９６６２８２．９１０３．８１２９．９１６２６２０３，６２写４９３１９．０３９９．４５０００｛５《｝分。景粳（％）：（ｕｍ）（％）！（％）９８１，０１．３０１２８４：４４１４１５３３，５９．４７１５，８９。７５．３６１３．２５．８８．６１７．９５２．９０９６５６９９．４６０．５１９９９７００３：１０ｒ｝００１．则｛）００｛１０ａ０００ｎ０１０ａ０Ｄ０００‘１０００００．００１０００００００；１００００１０９８２１９．１３７ｑ３．２９，１７．２０４．８８２’５３７．Ｏ日图３．５粉末粒度分布图由上图可以看出，粉末的粒度控制在２００目以下，此时成型件的变化量最小，表面质量最好，也不易出现团聚现象。３．３．３粘结接溶液性能的测量（１）粘接溶液的配方及理化性能粘接溶液以蒸馏水为主，加入少量的添加剂成分。此外，为了配置适合喷射头的粘接溶液，需要控制溶液的密度、粘度以及表面张力。试验中所使用的溶液配方如表３．４所示。表３．４石膏基复合粉末粘结溶液配方