[发明专利]一种改进的制备三维立体结构的直写成型方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种改进的制备三维立体结构的直写成型方法，属于三维结构材料制备领域。

背景技术

复杂三维结构广泛地用于先进陶瓷材料，复合材料，组织工程支架和光子材料等的设计和制备。因此，三维打印成型(3D printing)、熔融沉积成型(Fused deposition)和直写成型(Direct ink writing/DIW)等简便易控的直写组装(Direct write assembly)技术也被越来越多的用于三维结构的成型【K.K.B.Hon,L Li,I.M.Hutchings.Direct writing technology—advances and developments.CIRP Annals-Manufacturing Technology.2008,57(2):601-620】。其中，直写成型的三维结构具有很大高宽比和尺寸控制范围(从10^-6到10⁰m)等优点，并且可成型含跨度(无支撑部分)特征结构的复杂三维结构，所以该方法受到更为广泛地关注。

直写成型(Direct Ink Writing)的概念首先由美国Sandia国家实验室的Joseph Cesarano III等【Lewis,J.A.,J.E.Smay,et al..Direct Ink Writing of Three-Dimensional Ceramic Structures.Journal of the American Ceramic Society,2006,89(12):3599-3609.】提出。该技术首先借助计算机辅助(CAD)设计所需的三维结构的图案,然后通过计算机自动控制安装在Z轴上的由针筒和针嘴组成的悬浮液输送装置，将针筒内的悬浮液从针嘴内挤出精确尺寸的线型流体，同时X-Y轴依照程序设定的轨迹移动，将线型流体沉积在运动平台上，得到第一层结构。完成第一层成型之后,Z轴马达带动悬浮液输送装置精确地向上移动到结构方案确定的高度，第二层成型将在第一层结构上进行。随后，通过逐层叠加的方式，获得用传统的成型工艺无法制备的复杂三维周期结构。

与众多湿法成型技术(如凝胶注模成型、直接凝固成型和流延成型等)相比，直写成型对悬浮液流变性能的设计与控制的要求更高。在直写成型过程中，为顺利地通过针嘴，悬浮液要求具有很好的流动性；而当其流过针嘴形成线形流体后，悬浮液又要求失去流动性，具有很好的成型性，从而保障成型结构的形状不发生变化。

为满足直写成型的要求，众多学者通过改变悬浮液的pH，或者增加悬浮液的离子强度，或者添加带相反电荷的聚合物等方式调控悬浮液的流变性能。Caroson III采用具有高剪切变稀流变性能的胶体悬浮液(Colloidal suspensions)来进行直写成型；Smay设计了一种能够很好的满足直写成型要求的胶体凝胶悬浮液(Colloidal gel suspensions)，研究了其粘弹性流变性能；Gratson等研究了由聚乙烯亚胺(PEI)和聚丙烯酸(PAA)组成的聚电解质混合体悬浮液的直写成型。虽然通过各种流变性能调控方式获得的悬浮液能够用于直写成型，但是在成型过程中，这些悬浮液通常容易出现堵塞针嘴的现象，从而导致直写成型无法进行下去。

发明内容

针对现有的直写成型制备三维结构工艺，存在悬浮液流变性能不佳，容易造成针嘴堵塞，难以达到直写成型要求的缺陷，本发明的目的是在于提供一种利用具有温变性能的悬浮液通过直写成型制备三维结构的方法，该方法采用的悬浮液可通过温度控制其流变性能，且不受粉体材料的种类限制，完全满足直写成型要求，可制备出尺寸精确的无机或有机三维结构。

本发明提供了一种改进的制备三维立体结构的直写成型方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：制备温敏悬浮液

在0～40℃的温度条件下，将由水性溶剂、温敏性分散剂和粉体材料组成的原料或者由分散剂、温敏性聚合物、粉体材料和水性溶剂组成的原料，通过球磨分散，制得温敏悬浮液；所述温敏悬浮液中粉体材料的固含量为0.01％～99％，温敏性分散剂或温敏性聚合物的质量为粉体材料质量的0.001％～1000％；