一种吸热喷墨3D打印制件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种吸热喷墨3D打印制件及其制备方法，包括对三维模型进行计算机切片，得到每层截面的轮廓信息；将具有动态化学键的动态聚合物粉体装入铺料槽中，动态墨水装入与喷头相连的墨盒中，并对打印床进行预热；采用滚筒滚动铺料，喷头按照切片截面的图案进行喷墨；近红外灯进行匀速移动，对粉体材料进行照射加热，再打热成型；最后对制件表面进行清理，后进行恒温加热后处理。本发明专利技术采用的方法能有效提高打印层之间(z轴方向)的结合力，提升制件的力学性能；使用该方法打印的制件能在加热条件下修复损伤，延长制件的使用寿命；同时打印的制件能够拥有形状记忆的功能，在热、力、光、电等的刺激下能够实现形状的变化与恢复。电等的刺激下能够实现形状的变化与恢复。电等的刺激下能够实现形状的变化与恢复。

【技术实现步骤摘要】
一种吸热喷墨3D打印制件及其制备方法


[0001]本专利技术属于属于增材制造相关
，具体涉及一种吸热喷墨3D打印制件的制备方法以及采用该制备方法制得的3D打印制件。

技术介绍

[0002]随着人类社会的发展，3D增材制造技术应运而生。3D打印技术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。通过3D打印技术人们可以轻松实现复杂结构的一体成型。喷墨3D打印技术实质上是一种使用喷墨与粉末来制造零件的技术。近年来，一种用于高分子领域的吸热喷墨3D打印技术受到广泛的关注，其可以实现区域烧结，效率更高，并且打印件具有良好的力学性能，是当前高分子材料3D打印的重要发展方向。
[0003]吸热喷墨3D打印是在增材制造的基础上，首先设计三维模型，通过软件将模型分层处理并存储为相应的加工信息，然后打印机滚筒在工作台上平铺一定厚度的粉末；接着基板将粉末沉积层整体预热，使预热温度接近材料的烧结温度；打印喷头根据模型选区喷射吸热墨水在聚合物粉末之上，吸热墨水中含有炭黑等吸热填料，可以将吸收的近红外光转换为热能；近红外灯照射粉床，墨水喷射区域内高分子粉末由于吸收了更多的热量而发生烧结和固化，没有红外光吸收材料的区域内粉末温度较低而仍然是粉末状；通过逐层烧结和堆积，最终获得相应的三维实体。
[0004]受大自然中动物皮肤受损愈合等事例的启发，国内外研究人员设计合成了许多自修复高分子材料，当这些材料受到损伤时，能通过一定机理将裂纹重新填补、自行修复，对于延长材料的使用寿命、提高耐久性和降低维护成本具有重要意义。迄今为止，已报道的自修复聚合物构建策略可以分为以下2类：外援型和本征型。对于目前研究热点的本征型自修复聚合物是在其分子链上引入动态可逆键，在一定的刺激下实现动态交换，修复损伤。
[0005]Polymers(Basel)2021，13(13)中使用多射流熔融(MJF)对聚合物粉体的理化性能进行了系统表征，并对打印的样品的机械性能和打印质量进行了评估。在这项研究中，发现聚氨酯(TPU)在z轴方向打印的制件的拉伸强度相对于x轴方向和y轴方向来说最低，如图1。其z轴方向打印的制件强度较低的原因可能是打印时粉末层与层之间存在温度差，近红外光照射时只有上层的粉末受热较多，下层粉末受热较少，因此上层的粉末与粉末之间粘结比较牢固，而上层粉末与下层粉末之间粘结相对较差。
[0006]AdditiveManufacturing2021，47中通过测量制品零件的颜色，研究了在相同印刷密度下，使用高速烧结(HSS)打印不同聚合物时，油墨中的红外辐射吸收材料(RAM)在聚合物粉末上的分布。其中在这项研究中对PA12，PA11，PP，PEBAX和聚苯乙烯(PS)的粉末粒径和形貌也进行了分析，并且研究了粉体的Hausner比率与粉末孔隙率，对比了不同材料的流动性和粉末孔隙率的差异。进一步地得到结论：粉末颗粒形状与孔隙率还会对墨水的润湿性产生影响，从而影响最终零件的烧结质量。但是无论对于哪一种聚合物粉末来说，都不可能能够像流体一样完全流动，也不可能达到零孔隙率。因此在对其进行打印之后，制件内部必
然会存在或多或少的孔隙和空洞，特别是对于粉末流动性不佳和粉末孔隙率较大的聚合物粉体。而制件内部的孔隙和空洞就会大大影响制件的力学性能，形成缺陷和应力集中点，使力学性能大打折扣。
[0007]基于上述分析，一种内部空间密度较高，且制件具有稳定的力学性的打印方法与制件是目前行业内急需的。

技术实现思路

[0008]针对现有技术中打印后制件样品内部存在较多孔隙和空洞，从而造成制件力学性能降低的问题，同时也针对打印制件受到损伤后回收困难，难以重复利用的问题，本专利技术首次使用动态聚合物作为喷墨3D打印的粉体材料，使用含有相同动态键的聚合物墨水进行吸热喷墨3D打印，通过粉末与粉末，粉末与墨水之间的动态键进行结合形成强力的整体制件，再将制件在一定温度下进行加热后处理，促进动态键结合更加完全，有效减少制件内部的孔隙和空洞，使制件更加完整，提高制件的力学性能；使用该方法打印的制件，可以提高打印层与层之间的结合力，提高z轴方向打印的力学强度，解决打印制件具有各向异性的问题；同时实现制件的损伤后自修复，以达到重复利用的目的，延长制件的使用寿命；打印出的制件由于动态聚合物的特性，能够具有形状记忆的功能，实现在热、力、光、点等的刺激下的变形与恢复。本专利技术使通过如下技术手段实现的：
[0009]一种吸热喷墨3D打印制件的制备方法，包括：
[0010](1)对要打印的三维模型进行计算机切片，得到每层截面的轮廓信息；
[0011](2)将具有动态化学键的动态聚合物粉体装入铺料槽中，将含有红外吸收填料的动态墨水装入与喷头相连的墨盒中，并对打印床进行预热；
[0012](3)采用滚筒滚动铺料，喷头按照切片截面的图案进行喷墨；
[0013](4)近红外灯进行匀速移动，对粉体材料进行照射加热；
[0014](5)打印床下降一定距离，重复步骤(3)与步骤(4)的操作，直到打印结束，制品成型；
[0015](6)对制件表面进行清理，后进行恒温加热后处理，即得。
[0016]进一步地，步骤(2)所述动态聚合物粉料为所有能够进行3D打印的动态聚合物粉体，包括但不限于：动态聚氨酯粉体，动态聚二甲基硅氧烷粉体等。
[0017]进一步地，所述聚合物粉体粒径为20～200μm。
[0018]进一步地，步骤(2)所述动态键为所有可引入高分子材料中合成动态聚合物的动态键，包括但不限于：动态氨基甲酸酯键，动态脲键，Diels
‑
Alder键，二硫键，肟
‑
氨基甲酸酯键，硫醇烯键，酯交换键，硼酸酯交换键等。
[0019]进一步地，步骤(2)所述动态墨水为含有与聚合物粉体材料相同动态键的动态聚合物分散墨水，包括但不限于：水性聚氨酯乳液，水性聚二甲基硅氧烷乳液等。
[0020]进一步地，步骤(2)所述红外吸收填料为为碳纳米管、石墨烯、导电炭黑中的一种或几种。
[0021]进一步地，步骤(2)所述打印床预热温度低于动态聚合物粉体的玻璃化转变温度5～10℃。
[0022]进一步地，步骤(4)所述近红外灯为波长介于500nm～1400nm之间的短波红外辐
射，功率为0～2000W，移动速度为5cm/s～30cm/s。
[0023]进一步地，步骤(5)所述一定距离为0.05～0.5mm。
[0024]进一步地，步骤(6)所述恒温加热后处理为：使用烘箱等恒温加热设备，将制件置于动态键的动态自修复温度下后处理0.5～24h。
[0025]本专利技术还公开了一种根据任一上述制备方法制得的吸热喷墨3D打印制件。
[0026]本专利技术的有益效果在于：
[0027]现有技术中通过层层铺粉，层层喷墨，层层近红外光加热固化的方式打印制件，粉体堆积存在孔隙，从而打印制件内部也会存在一些孔隙和空洞，从而降低力学性能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种吸热喷墨3D打印制件的制备方法，包括：(1)对要打印的三维模型进行计算机切片，得到每层截面的轮廓信息；(2)将具有动态化学键的动态聚合物粉体装入铺料槽中，将含有红外吸收填料的动态墨水装入与喷头相连的墨盒中，并对打印床进行预热；(3)采用滚筒滚动铺料，喷头按照切片截面的图案进行喷墨；(4)近红外灯进行匀速移动，对粉体材料进行照射加热；(5)打印床下降一定距离，重复步骤(3)与步骤(4)的操作，直到打印结束，制品成型；(6)对制件表面进行清理，后进行恒温加热后处理0.5h～24h，即得。2.根据权利要求1所述的制备方法，其中：步骤(2)所述动态聚合物粉料包括：动态聚氨酯粉体，动态聚二甲基硅氧烷粉体。3.根据权利要求2所述的制备方法，其中：所述聚合物粉体粒径为20～200μm。4.根据权利要求1所述的制备方法，其中：步骤(2)所述动态键包括：动态氨基甲酸酯键，动态脲键，Diels...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏和生，赵启凡，程煜，王占华，卢锡立，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：