[发明专利]一种增强FDM 3D打印制件的力学性能的方法

说明书

本发明涉及一种增强FDM 3D打印制件的力学性能的方法，且提出了一种基于熔融沉积成型3D打印的混合制造技术。对FDM 3D打印制件的力学性能不足的问题，在打印过程中喷洒含有海藻酸钠粉末的乙醇溶液，在打印完成后，将制件浸入含有Ca²⁺、Zn²⁺或Fe³⁺的水溶液中静置若干时间，利用多价离子与海藻酸钠螯合交联在制件的内部形成凝胶网络状结构，从而提高制件整体的力学性能。

技术领域

本发明涉及一种增强FDM 3D打印制件的力学性能的方法，属于增材制造领域。

背景技术

传统的制造技术，包括铸造、锻造、机械加工、注塑成型，只能制造统一造型和结构的物品。3D打印，即增材制造，不同于传统的制造技术，没有具体的模板或者造型作为参考，所以可以按照具体的需要制造具有不同复杂几何形状的产品。3D打印是利用层与层之间材料的堆积来形成各种在空间延伸的几何形状的技术，得益于空间分辨率的提高和多种原材料的使用，3D打印越来越广泛地应用于消费产品、航空航天、生化器件等领域。

熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)是目前所有3D打印技术中最普及的一种技术，其工作原理为丝状热塑性材料由送丝机构送进喷头，在喷头中加热到熔融态，经喷嘴挤出。熔融态的丝状材料被挤压出来，按照三维软件的分层数据控制的路径挤压并在指定的位置凝固成型，逐层沉积凝固，最后形成整个三维产品。FDM的操作环境干净、安全，工艺简单、易于操作，且不产生垃圾，因此大大拓宽了操作场合。其所用原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。但是现阶段FDM成型方式存在本质上的缺陷。当物料从高温喷头挤出后仅依靠自身重力沉积在已冷却的下层物料上，同时迅速被冷却产生一定的收缩，造成层与层之间的空隙较大，层间结合强度小，最终使得制件整体力学性能差，因此目前FDM应用范围被大大限制，主要集中在工艺品和手办等行业。目前研究人员主要从打印参数和材料设计两方面对这个问题进行探索和研究，前者通过调整打印头的行走路径、沉积线条的宽度、每层高度和填充度等打印参数来改善，而后者通过向基体中添加短纤维、晶须和刚性粉末等实现。

本发明针对FDM 3D打印制件的力学性能不足的问题，提出了一种增强FDM3D打印制件的力学性能的方法。在打印过程中喷洒含有海藻酸钠粉末的乙醇溶液，利用多价离子与海藻酸钠螯合交联在打印完成制件的内部形成凝胶网络状结构，从而提高制件整体的力学性能。

发明内容

针对上述背景，本发明的目的是提供一种增强FDM 3D打印制件的力学性能的方法。本发明的另一个目的是提供一种高性能3D打印制件的制备方法。本发明的再一个目的是提供了一种基于熔融沉积成型3D打印的混合制造技术。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

采用热塑性高分子材料进行FDM 3D打印，在打印过程中喷洒含有海藻酸钠粉末的乙醇溶液，乙醇受热挥发使得海藻酸钠沉积在打印线条上或打印线条间的空隙中。打印完成后，将制件浸入含有Ca²⁺、Zn²⁺或Fe³⁺的水溶液中静置4-6h，利用多价离子与海藻酸钠螯合交联形成凝胶网络状结构，后冷冻干燥。

所述的热塑性高分子材料不溶于乙醇和和水，且吸水率较低，比如聚乙烯、聚丙烯、乙烯-辛烯共聚物、醚基聚氨酯等一种或几种组合。

所述的含有海藻酸钠粉末的乙醇溶液中，海藻酸钠的分布密度为5-8g/L，溶液动力黏度控制在200-300cP，通过纤维素类增稠剂调节。海藻酸钠粉末粒径为30-50um。

所述的含有Ca²⁺、Zn²⁺或Fe³⁺的水溶液中，多价离子和海藻酸钠的摩尔比控制在1:4-1:2.5，同时溶液中含有一定量的葡萄糖酸-δ-内脂作为凝固剂，其与海藻酸钠的摩尔比控制在1:2-1:1.5。