[发明专利]一种轴向热收缩率小于0.5％的3D打印线材、制备工艺方法及制造装置

说明书

技术领域

本发明涉及三维打印机所用的3D打印线材，尤其是指在200℃温差下，轴向热收缩率小于0.5％的3D打印线材。本发明还涉及3D打印线材的制备工艺方法和制备设备。

背景技术

三维打印(3DP)是在过去三十年中成功开发出来的新兴制造技术，能直接从计算机辅助设计(CAD)模型生成复杂的自由曲面零件。三维打印系统通常使用逐层堆积和增量的方法来加工出所需零件原形，常用工艺方法包括熔融沉积、喷墨印刷、激光烧结、光聚合等。

熔融沉积造型(FDM)的工艺设计简单而可靠，被认为是最常用的3D打印方法。FDM只需要加热和加压就可从出料口挤出熔化的线材。相比其他3D打印机器，FDM打印机由于其低价格而竞争力强，这是FDM打印机在当今增量制造业最商业化的主要原因。FDM工艺使用的热塑性线材的材料主要是热塑性聚合物,主要包括聚丙烯腈/丁二烯/苯乙烯聚合物(ABS)、聚乳酸(PLA)和尼龙这类材质。在打印过程中，热塑性聚合物线材在离开出料口前被加热到高于熔融点的温度，然后一层一层地打印并堆积成所期望的三维结构。

但是，FDM的一个基本问题是热塑性聚合物线材的热膨胀系数大，根据我们对现有文献研究，热塑性聚合物线材的收缩率通常在2～5％,比陶瓷的高20倍以上。因此，熔化的线材在从熔融态冷却到固体的过程中经受大级别热收缩，这造成打印时在层间形成高残余应力并由此而引起所打印结构的变形和翘曲。这个问题在打印大尺寸产品时尤其突出。鉴于当前的FDM线材的热膨胀系数大，工件比较大的变形问题是一个固有的难以解决的技术问题。因为当新的熔融层被添加到旧的已固化的堆积层上时，新添加层在面内方向收缩，这将在层内产生拉伸应力，而这拉伸应力会使已固化层向上弓形翘曲。

至今为止在减少FDM打印失真的问题上业界和学术界仅取得很有限的一些进展，而这些有限进展也主要是在工艺条件和印刷路径优化上。例如，张和周等通过有限元分析发现扫描速度是打印失真和工件变形及翘曲的最显著影响因素，随后是打印层的厚度。索德等使用灰色Taguchi法来优化FDM的工艺条件以提高打印精度。其他有些作者也对可能影响失真的工艺条件进行了实验性的或模拟性的研究。他们的研究结果大同小异，一般都指出工艺条件对打印失真具有重要作用。然而，实际的影响也很大程度上依赖于零件设计本身。在最近几年里，一些研究者也试图开发由金属颗粒填充的聚合物复合线材。由于金属颗粒的热膨胀系数小但热导率高，一般相信这样的复合材料可以减少线材的热收缩，从而减少打印失真。然而，已有报告所给出的结果相当有限。主要原因是金属颗粒的填充量不能太高否则线材会由于粘度太高而不易打印。因此，FMD打印失真的问题是急需解决的技术问题，本发明的研发目的提供一种解决FMD工艺打印失真的3D打印线材。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种3D打印线材，其具有极小的轴向热收缩率，保证打印线材在堆积高度层面时产生的翘曲形变较小，大大减小了传统线材在打印堆积高度层面时所产生的残余应力。为了制作本发明的3D打印线材，本发明还需解决的技术问题是制作3D打印线材的工艺方法及相关制造装置。通过特定的工艺方法及专门设计的设备装置，实现本发明3D打印线材的制备。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是一种轴向热收缩率小于0.5％的3D打印线材，其包括热塑性聚合物线材基质，其特征在于在所述热塑性聚合物线材基质中，沿轴向间隔错位设置有数条玻璃纤维或碳纤维，所述玻璃纤维或碳纤维其长度方向与所述热塑性聚合物线材轴向同向。

所述热塑性聚合物线材基质为聚丙烯腈/丁二烯/苯乙烯聚合物、聚乳酸或尼龙。

所述玻璃纤维或碳纤维以体积比计，其占所述3D打印线材体积的10～50％。

所述玻璃纤维或碳纤维以体积比计，其占所述3D打印线材体积的20％。

所述玻璃纤维或碳纤维的直径<10μm、弹性模量>70GPa、强度>2GPa。