一種低溫FDM型3D打印材料、制備及應(yīng)用制造技術(shù)

一種低溫FDM型3D打印材料、制備及應(yīng)用，屬于FDM型3D打印領(lǐng)域。該材料采用PCL、石墨、EBS、SiO2、硬脂酸鎂為原料，制備方法是將通過雙螺桿將PCL母粒與石墨、EBS、SiO2、硬脂酸鎂等填料按照一定比例熔融混合后，粉碎造粒，再通過單螺桿擠出，拉伸成為尺寸均一合適的線材。本發(fā)明專利技術(shù)工藝解決了PCL無法通過FDM方法進行3D打印的問題，且簡單易行，制備成本低，打印精度高。由于其對3D打印設(shè)備要求度低，選擇性廣，一般家用FDM型3D打印機亦可使用，在FDM型3D打印領(lǐng)域具有重要的價值與意義。

A low temperature FDM type 3D printing material, preparation and Application

A low temperature FDM type 3D printing material, preparation and application, belongs to the FDM type 3D printing field. The material with PCL, graphite, EBS, SiO2, magnesium stearate as raw material, preparation method is to PCL and EBS, SiO2, graphite masterbatch, magnesium stearate filler according to a certain proportion of melt mixing, crushing granulation by double screw, through single screw extrusion, tension become uniform size appropriate wire. The technology of the invention solves the problem that the PCL can not print the 3D through the FDM method, and is simple and easy to make, the preparation cost is low, and the printing precision is high. Because of its low requirement for 3D printing equipment and wide selection, the general household FDM 3D printer can also be used, which is of great value and significance in the field of FDM 3D printing.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種低溫FDM型3D打印材料、制備及應(yīng)用
本專利技術(shù)屬于FDM型3D打印領(lǐng)域，具體涉及一種低溫FDM型3D打印材料的制備。
技術(shù)介紹
熔融沉積成型(FusedDepositionModeling,FDM)快速原型工藝是一種通過加熱的方式將各種絲材(如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等)熔化并進行定點堆積的成型方法，通俗來講就是利用高溫將材料融化成液態(tài)，通過打印頭擠出后固化，最后在立體空間上排列形成立體實物。熔融沉積成型是3D打印技術(shù)的一種，其在3D打印領(lǐng)域有著至關(guān)重要的地位。這是由于它成型方式較為簡單，成型精度高，打印模型硬度好，推廣性較強，不依靠激光作為成型能源，打印設(shè)備的成本較低，從而成為目前最流行的3D打印技術(shù)。但常用的FDM型3D打印熱塑性材料如聚乳酸(PLA,170-230℃)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS，217-237℃)、聚碳酸酯(PC，215-225℃)打印溫度均在200℃以上，成型溫度較高，而高溫意味著高能耗以及低安全性，特別是在家庭環(huán)境中使用時，容易對兒童等自我保護能力較差的人群造成危害。例如專利公開號CN106674935A“一種用于3D打印的夜光PLA線材及其制備方法”中所公布的夜光PLA材料，其不論加工溫度及打印溫度均在180℃以上，這此溫度明顯較高，易發(fā)生燙傷等危險。PCL是一種線性脂肪族聚酯，室溫下為半結(jié)晶狀態(tài)，其熔點(59-64℃)也相對較低。這些基本性質(zhì)賦予它良好的生物降解性/生物相容性、柔韌性、加工性，這些都是PCL可以作為低溫FDM型3D打印材料的良好基礎(chǔ)。但是，單純的PCL作為3D打印材料來說，存在凝固慢、熔體強度低、不易成型等問題，導(dǎo)致目前并沒有可用于FDM型3D打印的PCL材料。例如專利公開號CN106334217A“一種3D打印PCL/β-TCP復(fù)合材料及其制備方法、用途、打印方法”中所開發(fā)的PCL/β-TCP復(fù)合材料，雖然實現(xiàn)了PCL的3D打印，但其使用的漿料打印方式對3D打印設(shè)備要求較高，價格也頗為貴，并且其實施方式也較為復(fù)雜，步驟繁瑣，不易操作，推廣性較差。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是針對FDM型3D打印存在的問題，提供一種可在低溫下通過FDM方法進行3D打印的PCL復(fù)合材料的制備方法。本方法利用石墨良好的熱傳導(dǎo)性能，促進PCL凝固，以提高3D打印性能。制備方法通過雙螺桿將PCL母粒與填料熔融混合，粉碎造粒后，再通過單螺桿擠出，拉伸成為3D打印線材。一種低溫FDM型3D打印材料，原料按重量百分比主要有以下幾個組分：聚己內(nèi)酯(PCL)母粒86-96％，例如86％、88％、90％、92％、94％、96％等，填料4-14％；其中填料至少包括石墨、EBS、SiO2、硬脂酸鎂。在3D打印材料中如下調(diào)料的重量百分含量為：石墨0.1-3％，例如0.1％、0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％等；EBS1-3％，例如1％、2％、3％等；SiO21-3％，例如1％、2％、3％等；硬脂酸鎂1-5％，例如1％、2％、3％、4％、5％等。優(yōu)選的是，聚己內(nèi)酯(PCL)母粒88-90％，石墨1-2％，EBS2-3％，SiO22-3％，硬脂酸鎂2-3％。上述五種原料的質(zhì)量百分比之和≤100％。其中填料濃度過低則材料凝固慢，打印不易成形。填料濃度過高則材料粘度過大，難以通過針頭尖端，打印不夠順暢。本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案如下：(1)稱取一定量的PCL母粒以及石墨、EBS、SiO2和硬脂酸鎂等填料，混合后，對其攪拌，使其初步混合均勻，再使用雙螺桿擠出機熔融共混擠出；冷卻后，將制得的復(fù)合材料粉碎造粒；(2)將步驟(1)所得粒料于單螺桿擠出機中熔融擠出，通過牽引機的牽引，形成尺寸合適均一的線材。優(yōu)選的是，雙螺桿擠出機加工溫度為50-100℃，螺桿轉(zhuǎn)速為10-30rpm。優(yōu)選的是，單螺桿擠出機加工溫度為65-90℃，螺桿轉(zhuǎn)速為20-50rpm。優(yōu)選的是，線材尺寸為1.65-1.75mm。優(yōu)選的是，復(fù)合材料FDM型3D打印條件范圍：噴口溫度80-90℃，底板溫度20-35℃，噴口移動速度及進絲速度均分別小于等于40mm/s、90mm/s低溫FDM型3D打印材料的應(yīng)用，作為FDM型3D打印機耗材，打印模型與工程元件。本專利技術(shù)的低溫FDM型3D打印材料用于3D打印，與之前的文獻(xiàn)報道相比，具有如下優(yōu)點：(1)本專利技術(shù)成功研發(fā)了可在低溫下(80-90℃)進行3D打印的復(fù)合材料。該材料打印溫度低，精度高，打印性能較好。(2)本專利技術(shù)制備方法簡單易行，條件可控，制備成本低。(3)本專利技術(shù)制作的低溫3D打印耗材對3D打印設(shè)備要求度低，選擇性廣，一般家用FDM型3D打印機亦可使用。(4)本專利技術(shù)工藝解決了PCL無法通過FDM方法進行3D打印的問題，且簡單易行，制備成本低，打印精度高。附圖說明圖1為本專利技術(shù)所制備的低溫FDM型3D打印線材圖；圖2為本專利技術(shù)制備的低溫FDM型3D打印線材較純PCL打印效果對比圖。均在本專利技術(shù)的3D打印條件范圍條件下。具體實施方式下面結(jié)合實施例對本專利技術(shù)作進一步說明，但本專利技術(shù)并不限于以下實施例。實施例1稱取88gPCL母粒置于250mL燒杯中，再分別稱取、加入0.1g石墨、3gEBS、3gSiO2和4.9g硬脂酸鎂。使用攪拌器將其混合均勻。將混合物于雙螺桿擠出機中，通過熔融共混的方式，使PCL與填料充分共混。分別設(shè)定雙螺桿擠出機一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)以及四區(qū)溫度為50、75、100和75℃。設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速為20rpm。共混結(jié)束后，再將做好的材料粉碎造粒。將制備好的粒料，使用單螺桿擠出機熔融擠出，通過牽引機牽引，形成尺寸均一的線材。設(shè)定單螺桿擠出機一區(qū)、二區(qū)溫度分別為80和85℃，螺桿轉(zhuǎn)速為30rpm，線材尺寸為1.70-1.75mm。通過FDM型3D打印機進行打印時，設(shè)定3D打印機參數(shù)如下：噴口溫度85℃，底板溫度35℃，噴口移動速度及進絲速度分別為40mm/s、90mm/s。實施例2稱取89gPCL母粒置于250mL燒杯中，再分別稱取、加入1.1g石墨、3gEBS、3gSiO2和3.9g硬脂酸鎂。使用攪拌器將其混合均勻。將混合物于雙螺桿擠出機中，通過熔融共混的方式，使PCL與填料充分共混。分別設(shè)定雙螺桿擠出機一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)以及四區(qū)溫度為60、75、90和75℃。設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速為20rpm。共混結(jié)束后，再將做好的材料粉碎造粒。將制備好的粒料，使用單螺桿擠出機熔融擠出，通過牽引機牽引，形成尺寸均一的線材。設(shè)定單螺桿擠出機一區(qū)、二區(qū)溫度分別為80和85℃，螺桿轉(zhuǎn)速為30rpm，線材尺寸為1.70-1.75mm。通過FDM型3D打印機進行打印時，設(shè)定3D打印機參數(shù)如下：噴口溫度85℃，底板溫度35℃，噴口移動速度及進絲速度分別為40mm/s、90mm/s。實施例3稱取90gPCL母粒置于250mL燒杯中，再分別稱取、加入2g石墨、3gEBS、2gSiO2和3g硬脂酸鎂。使用攪拌器將其混合均勻。將混合物于雙螺桿擠出機中，通過熔融共混的方式，使PCL與填料充分共混。分別設(shè)定雙螺桿擠出機一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)以及四區(qū)溫度為50、70、90和75℃。設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速為15rpm。共混結(jié)束后，再將做好的材料粉碎造粒。將制備好的粒料，使用單螺桿擠出機熔融擠出，通過牽引機牽引，形成尺寸均一的線材。設(shè)定單螺桿擠出機一區(qū)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種低溫FDM型3D打印材料，其特征在于，原料按重量百分比主要有以下幾個組分：聚己內(nèi)酯(PCL)母粒86?96％，填料4?14％；其中填料至少包括石墨、EBS、SiO2、硬脂酸鎂；在3D打印材料中如下填料的重量百分含量為：石墨0.1?3％，EBS?1?3％，SiO2?1?3％，硬脂酸鎂1?5％。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種低溫FDM型3D打印材料，其特征在于，原料按重量百分比主要有以下幾個組分：聚己內(nèi)酯(PCL)母粒86-96％，填料4-14％；其中填料至少包括石墨、EBS、SiO2、硬脂酸鎂；在3D打印材料中如下填料的重量百分含量為：石墨0.1-3％，EBS1-3％，SiO21-3％，硬脂酸鎂1-5％。2.按照權(quán)利要求1所述的一種低溫FDM型3D打印材料，其特征在于，聚己內(nèi)酯(PCL)母粒88-90％，石墨1-2％，EBS2-3％，SiO22-3％，硬脂酸鎂2-3％；上述五種原料的質(zhì)量百分比之和≤100％。3.制備權(quán)利要求1或2所述的低溫FDM型3D打印材料的方法，其特征在于，(1)稱取一定量的PCL母粒以及填料，混合后，對其攪拌，使其初步...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊濟豪，徐福建，段順，
申請(專利權(quán))人：北京化工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：北京,11