3d打印石膏油墨及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[000? ]本發(fā)明屬于3D打印材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種3D打印用石膏材料，本發(fā)明還涉及該石膏材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]3D打印(3DPrinting)技術(shù)，也被稱為增材制造技術(shù)，一種在三維數(shù)字模型的基礎(chǔ)上，用粉末狀金屬或者塑料等可黏合材料逐層堆積制造出實(shí)體物品的新興制造技術(shù)，體現(xiàn)了信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與先進(jìn)材料技術(shù)、數(shù)字制造技術(shù)的密切結(jié)合。3D打印技術(shù)具有廣闊發(fā)展前景的快速制造技術(shù)，不僅被譽(yù)為制造業(yè)的一場(chǎng)革命，也被認(rèn)為是“第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)士々—，，
[0003]經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)3D打印技術(shù)與世界先進(jìn)水平基本同步，在高性能復(fù)雜大型金屬承力構(gòu)件增材制造等部分技術(shù)領(lǐng)域已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，成功研制出光固化立體造型術(shù)(SLA)，電子束熔融成型(ΕΒΜ)，熔融沉積成形(FDM)，激光選區(qū)燒結(jié)(SLS)，三維印刷(3DP)等。3D打印技術(shù)及產(chǎn)品已經(jīng)初步開(kāi)始應(yīng)用在航空航天和生物醫(yī)療，文化創(chuàng)意和教育，汽車等領(lǐng)域。隨著生物3D打印技術(shù)的發(fā)展，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸廣泛，可打印的生物材料種類繁多，其中包括無(wú)機(jī)材料、生物醫(yī)用高分子材料、水凝膠的材料、活細(xì)胞?；罴?xì)胞的打印其好處在于細(xì)胞損傷率很低，細(xì)胞存活率很高。打印特點(diǎn)包括精確度高，空間大，集成度好，操作簡(jiǎn)便等。
[0004]3D打印技術(shù)相比于傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造業(yè)，它具有如下一些不可比擬的優(yōu)勢(shì):第一，3D打印技術(shù)可以提高產(chǎn)品的研發(fā)水平和設(shè)計(jì)能力。傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品往往需要先開(kāi)磨具，然后才能做出樣品。而應(yīng)用3D打印技術(shù)，不需要開(kāi)磨具，這就可以大大降低產(chǎn)品的制作時(shí)間和成本。并且無(wú)論多么復(fù)雜的工藝產(chǎn)品，均可通過(guò)3D打印技術(shù)短時(shí)間內(nèi)制造出來(lái)，從而提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新能力;第二，3D打印可以一體化成型。傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)都是建立在組裝線基礎(chǔ)之上，需要工人將生產(chǎn)出來(lái)的零部件進(jìn)行拼裝。而通過(guò)3D打印技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品都是一體化成型，無(wú)需組裝，減少了組裝所耗費(fèi)的時(shí)間和成本;第三，它可以減少?gòu)U棄的副產(chǎn)品。傳統(tǒng)的加工浪費(fèi)了大量的原材料，而3D打印可以減少對(duì)材料的浪費(fèi)，并且隨著打印材料的進(jìn)步，使得3D打印向著“凈成型”方向發(fā)展;第四，操作簡(jiǎn)單方便。培養(yǎng)一名合格的生產(chǎn)技術(shù)人員需要好幾年的時(shí)間，而3D打印機(jī)所需要的技能卻簡(jiǎn)單很多，不需要進(jìn)行專門的培訓(xùn)，并且能夠在遠(yuǎn)程和極端的環(huán)境下進(jìn)行生產(chǎn);第五，精確的制造技術(shù)。3D打印可以精確的定位材料，創(chuàng)建出更細(xì)致優(yōu)化的實(shí)體。發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)對(duì)我國(guó)具有重要戰(zhàn)略意義，它不僅可以提高我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)水平，有助于攻克技術(shù)難關(guān)，還能夠促成新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，推動(dòng)我國(guó)由“工業(yè)大國(guó)”向“工業(yè)強(qiáng)國(guó)”的轉(zhuǎn)變。
[0005]3D打印技術(shù)本身并無(wú)神秘之處，說(shuō)到底就是一個(gè)材料堆積疊加的過(guò)程，但想找到符合此項(xiàng)技術(shù)特點(diǎn)的材料卻是個(gè)難點(diǎn)。普通打印機(jī)所需要的材料只是墨水和紙張，但3D打印機(jī)的耗材卻主要是膠狀物或粉狀物，而且還需要經(jīng)過(guò)特殊的處理，并且對(duì)材料的固化反應(yīng)速度也有很高的要求。如現(xiàn)有3D打印技術(shù)多使用ABS、人造橡膠、塑料、沙子、鑄蠟和聚酯熱塑性塑料等材料，這些材料多為粉末或者黏稠的液體，而這主要是由3D打印的固化方式所決定的。
[0006]從某種程度上說(shuō)，3D打印技術(shù)發(fā)展的核心不在于打印，而是在于材料。只有新材料技術(shù)發(fā)展了，3D打印技術(shù)才能進(jìn)一步實(shí)用化，打印出真正實(shí)用的物品，否則離現(xiàn)實(shí)還是很遙遠(yuǎn)。目前，我國(guó)具備生產(chǎn)3D打印材料能力的企業(yè)較少，大部分3D打印材料依賴進(jìn)口，特別是金屬粉末材料嚴(yán)重受制于他國(guó)。這是因?yàn)?D打印對(duì)金屬材料的要求較高，而我國(guó)制造滿足這些要求的金屬材料技術(shù)還不過(guò)關(guān)。此外，與美國(guó)、德國(guó)等3D打印材料技術(shù)比較成熟的國(guó)家相比，我國(guó)3D打印材料質(zhì)量不穩(wěn)定、品種較為單一，部分研發(fā)的實(shí)驗(yàn)材料也依賴進(jìn)口。除此之外，材料成本高昂。3D打印材料制造成本高是目前存在的普遍問(wèn)題。由于3D打印材料種類有限、材料專用性較強(qiáng)、下游應(yīng)用市場(chǎng)還沒(méi)有完全培育起來(lái)，所以現(xiàn)階段3D打印材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，生產(chǎn)成本居高不下。
[0007]與其他快速成型技術(shù)相比，石膏材料是一種綠色環(huán)保的無(wú)機(jī)膠凝材料，凝結(jié)時(shí)間迅速可控，完全可以作為3D打印等增材制造技術(shù)的原材料。不但大大降低模型制造的生產(chǎn)成本，通過(guò)采用合適的后處理方式，還可使成型件強(qiáng)度高、不易變形，可以在某些場(chǎng)合替代現(xiàn)有的塑料和樹(shù)脂模型，作為概念原型、功能測(cè)試原型、模具和實(shí)體零件使用，而且與其他類型的材料相比，石膏不受生產(chǎn)廠家的限制，產(chǎn)量大且價(jià)格相對(duì)便宜。
[0008]現(xiàn)有3D打印材料所用的石膏材料不僅強(qiáng)度低、流動(dòng)性差，其顆粒也比較大，只能用于以表觀觀察為主要用途的模型的制作而無(wú)法制造具有一定功能性和精細(xì)的石膏制品。此外，即使用于制作觀賞模型，由于石膏顆粒粗大，導(dǎo)致模型的結(jié)構(gòu)精度和表觀質(zhì)量不高。以上缺點(diǎn)就大大限制石膏材料在3D打印材料中的應(yīng)用，也阻礙了具有優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能的新型石膏制品的出現(xiàn)和發(fā)展。
[0009]粉末材料的成分和比例對(duì)三維打印成型的精度、強(qiáng)度、表面質(zhì)量以及成型過(guò)程的可靠性有著重要的影響。粉末成分配方是一個(gè)多元系統(tǒng)，除了存在材料各成分配方對(duì)制件性能的主要效應(yīng)之外，還存在各個(gè)因素之間交互效應(yīng)的影響，粉末的配方是一個(gè)多因素、多水平問(wèn)題。三維打印成型對(duì)粉末材料的要求為:(1)顆粒小，最好成球狀，均勻，無(wú)明顯團(tuán)聚；
(2)粉末流動(dòng)性好，使供粉系統(tǒng)不易堵塞，能鋪成薄層；(3)在溶液噴射沖擊時(shí)不產(chǎn)生凹陷、濺散和孔洞；(4)與粘結(jié)溶液作用后能很快固化。
[0010]影響粉末材料快速成型特性的因素包括粒度、粒度分布、顆粒形狀、成分及比例、孔隙率、流動(dòng)性、潤(rùn)濕性等。此外，由于粉末是由參差不齊的各種不同大小的顆粒所組成，而且形狀各異，粉末顆粒的大小和在粉末顆粒群中所占的比例，即粉末的粒度和粒度分布直接影響著粉末的物理性能以及與液滴的作用過(guò)程。因此，需要分析粉末形狀、粒度、粒度分布，粉末密度和化學(xué)成分等對(duì)三維打印成型的影響，以確定粉末材料的成分、粒度及分布和粉末孔隙率、流動(dòng)性等參數(shù)。
[0011]選擇無(wú)明顯團(tuán)聚，即無(wú)絮凝顆粒和凝聚體顆粒的粉末原料，并盡可能地選擇球狀的原級(jí)顆粒形狀，對(duì)粉末進(jìn)行干燥。使用分散劑等措施可以顯著改善粉末的流變特性以及與液滴的相互作用。
[0012]粉末的粒度直接影響逐層成型的精度，粉末厚度應(yīng)大于2倍以上的粉末顆粒直徑，否則難以得到均勻密實(shí)的粉末平面，粉末粒度還影響液滴的潤(rùn)濕和毛細(xì)滲透。尺寸較大的粉末顆粒，表面比較小，在液滴的潤(rùn)濕過(guò)程中不易與其他顆粒滲透。尺寸較大的粉末顆粒，比表面積小，在液滴的潤(rùn)濕過(guò)程中不易與其他顆粒粘結(jié):反之，粉末粒度越細(xì)則容易粘結(jié)成型，但若粒度過(guò)細(xì)，則容易形成絮凝顆粒，即粉末團(tuán)聚，致使粉末不易鋪成薄層，且粉末容易粘結(jié)到輯子表面上，影響成型精度。試劑使用的粉末并不是要求顆粒大小一致，可以是粉末粒度大小不一，按一定能夠規(guī)則進(jìn)行尺寸匹配。
[0013]粉末的密度直接影響制件的密度。粉末層中存在這大量的空隙，在粘結(jié)固化過(guò)程中，隨著粉末的粘結(jié)固化，制件的密度發(fā)生變化。要想增加制件密度，必須提高粉末層的密度或提高單位面積內(nèi)液滴噴射的總量。提高粉末密度的措施有改善粉末的粒度分布，如在大粒度粉末中加入較小粒度的粉末。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的是提供一種3D打印用石膏材料，解決了石膏材料用于3D打印材料中存在的強(qiáng)度低、流動(dòng)性差、顆粒粗、韌性差以及成本高的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出一種具有工業(yè)潛能、速度高、精度好、使用成本低的經(jīng)濟(jì)型三維打印成形材料。
[0015]本發(fā)明所采用的