[发明专利]一种常温条件下聚合物的3D打印方法及装置

说明书

本发明提出一种常温条件下聚合物的3D打印方法及装置，打印方法有五步：建立三维模型；制备打印浆料；采用气辅驱动挤出方式，由料筒经输料管由打印喷头挤出，打印喷头固定在可实现X、Z轴运动的二维模组上，打印平台上沿Y轴方向运动；环境相对湿度调控；3D打印成型。本发明装置中的湿度控制系统由打印平台上的加湿部件、湿度控制器、湿度传感器、排风扇组成，加湿部件由微孔雾化喷头和装有蒸馏水的水箱构成，湿度控制器通过控制雾量以及排风量确定环境中的相对湿度。本发明无需对材料加热熔融，仅通过控制环境相对湿度便可成型。适用于多种材料，能够提供更好的成型质量，层与层之间结合紧密，也具有更好的力学性能，可扩宽打印材料的选择范围。

技术领域

本发明涉及3D打印领域，具体涉及一种常温条件下聚合物的3D打印方法。

背景技术

3D打印又被称为增材制造，它基于三维模型，利用金属粉末或聚合物等可粘结性材料进行连续叠加、逐层增加材料形成三维实体结构，是一种快速成型技术。其中聚合物的3D打印通常以对材料进行加热熔融为主，常用的方法有选择性激光烧结成型和熔丝沉积成型。但两种加工方法都有一定缺点，首先3D打印耐高温聚合物时，打印喷头、成型平台以及其他打印部件均需承受更高的温度，因此使得设备造价昂贵。其次打印材料种类受限，如无法成型一些热固性材料、熔融温度高于分解温度的材料。而且打印材料的形貌受限，如选择性激光烧结成型仅适用于聚合物粉末、熔丝沉积成型仅适用于打印线材。

发明内容

本发明提出了一种常温条件下聚合物的3D打印方法，将溶有聚合物材料的打印浆料在打印平台上沿设定路线挤出，通过控制空气中环境相对湿度，实现在打印过程中浆料固化成型，按需排布并层层堆积形成三维立体结构。该过程的成型原理为：打印浆料从喷头挤出后与空气中水蒸气相遇，打印浆料表面因发生相分离出现固化，表层溶剂被析出，余下的溶质即聚合物可堆积于指定位置上。

本发明一种常温条件下聚合物的3D打印方法以耐高温的特种工程塑料——聚醚酰亚胺(PEI)、有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)为例，其具体步骤包括:

步骤一：建立三维模型，对三维模型切片分层得到相应的打印路径，选择打印速度为10mm/s、打印层高0.48mm。

步骤二：制备40wt％PEI/NMP打印浆料，按该比例称量PEI粉末和可溶解该聚合物的有机溶剂NMP，将称量好的PEI粉末与有机溶剂NMP混合，经80℃、4h搅拌得到分散均一的打印浆料。其中PEI材料不溶于水，而可溶解PEI的有机溶剂NMP易溶于水。

步骤三：打印浆料挤出部分，采用气辅驱动挤出方式，以干燥后的压缩空气作为打印浆料的驱动力，打印浆料受干燥处理的压缩空气驱动，由料筒经输料管由打印喷头挤出。打印喷头固定在可实现X、Z轴运动的二维模组上，打印平台上沿Y轴方向运动。所述的压缩空气的压力选择0.4Mpa，所述的打印喷头直径为0.6mm。

步骤四：环境相对湿度调控，湿度控制器通过湿度传感器对微孔雾化器和排风扇控制环境相对湿度，当湿度传感器感应到环境湿度达到预设值70-75％RH后，开始进行打印工作。

步骤五：3D打印成型，打印喷头与打印平台共同完成三维方向的运动，打印浆料通过压力控制系统配合三维运动按需挤出，打印喷头在环境相对湿度为70-75％RH的范围下按照既定的打印路径在打印平台上铺设打印浆料，打印浆料表层的有机溶剂NMP析出而聚合物材料PEI固化成型，聚合物材料按一定打印路径层层堆叠得到打印坯体。

本发明一种常温条件下聚合物的3D打印方法的打印浆料是按一定比例将高性能聚合物溶于有机溶剂中，在相应温度下，经过一定时间的搅拌得到的均一浆料。所述的有机溶剂应可溶解聚合物同时也溶于水，所述的聚合物应溶于有机溶剂但不溶于水，所述的打印浆料的粘度满足稳定挤出并保持一定形状的要求。以聚醚酰亚胺(PEI)为例，打印浆料可选择40wt％的PEI/NMP。