CN109648817B - 一种3d打印智能变形材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种3D打印智能变形材料的制备方法，目的是可打印梯度结构、生物结构、螺旋结构和微观结构等复杂不规则形状，精确高效、简单易行，制备一种具有复杂结构与大变形的3D打印智能变形材料。包括以下步骤：第一步、聚合物丝材的制备，第二步、智能变形材料的3D打印，本发明是基于3D打印技术，以聚醚醚酮粉末和碳纤维为主体材料。通过控制设计3D打印过程中打印的形状，可编程路径，改变层间的交叉角度，可以使预变形结构更加复杂多样，平行于打印路径也可以助益其变形，可以获得更大的变形和变形恢复率。这种制备方法简化了加工步骤，节省生产成本，提高了加工效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种变形材料的制备方法，特别涉及一种3D打印智能变形材料的制备方法。
背景技术
3D打印相对于传统的对原材料去除、切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料叠加的制造方法。通过3D打印制造，无需机械加工或任何模具,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件,无需组装，可以极大地缩短产品的研制周期,且3D打印节省材料，降低了原材料的浪费和生产成本，提高了生产率,这使得过去受到传统制造方式的约束，原本无法实现的复杂精确结构件制造变为可能。
随着航空航天、汽车交通、生物医疗、国防军事等领域国际竞争加剧及其高度智能化发展趋势，对形状记忆智能器件的性能(功能、效能和形变精度等)提出了越来越高的要求。尽管传统形状记忆器件已具备智能变形能力，但仍存在体积大、功效低、形状单一等瓶颈问题，严重限制了其发展应用。相比，生物结构与生俱有的轻巧、精准、高效的智能变形特征，为人工结构的高精度变形和大功效提升提供了天然蓝本。特别是3D打印技术的快速发展，使复杂形状仿生智能结构的制造成为可能。发展仿生智能结构设计与3D打印优势融合的一体化理论与技术，是形状记忆智能材料与器件设计及制造面临的重大机遇与挑战，围绕形状记忆智能高分子材料仿生结构设计与材料改性、3D打印技术与装备的基础理论及性能测试与优化调控等重大科学问题，开展智能高分子材料与器件仿生结构设计及3D打印研究，着重解决形状记忆材料智能材料仿生结构设计原理、3D打印的控形控性原理、智能材料功能与仿生结构协同增效原理等重大技术瓶颈难题，为新一代智能材料的设计与制造提供理论和技术。
聚醚醚酮是一种性能优异的特种工程塑料，具有耐高温、自润滑、易加工和高机械强度等特点。聚醚醚酮具有形状记忆特性，但其变形量较小，形状回复率较低。因此将聚醚醚酮与3D打印相结合，可一次成型精确结构，且成型路径也可助益其变形，增加其变形行为和强度，不损失变形性能。且通过3D打印可简化整个生产流程，有巨大的设计空间，可以制造出传统工艺难以加工甚至无法加工的产品，应用前景良好应用领域广泛。但聚醚醚酮所需打印温度较高，较高的温度会破坏高分子化合物的集团，会使其失去或丧失大部分变形性能。因此，如何开发一种既适合3D打印，又能使聚醚醚酮具有变形特性的3D打印智能变形材料亟待进一步研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种3D打印智能变形材料的制备方法，可打印梯度结构、生物结构、螺旋结构和微观结构等复杂不规则形状，精确高效、简单易行，制备一种具有复杂结构与大变形的3D打印智能变形材料。
本发明包括以下步骤：
第一步、聚合物丝材的制备：
按质量百分比取聚醚醚酮粉末70％～100％，碳纤维0％～30％，进行搅拌混合，混合均匀后将混合物加入加热挤出装置进行加热融化，加热后由加热挤出装置挤出到25℃～40℃的冷却水槽中进行冷却，制成丝材，作为3D打印的耗材；
第二步、智能变形材料的3D打印：
设计变形材料的结构，用Solidworks对变形材料进行三维建模，然后根据设计层厚对模型进行切片处理，转换生成STL格式文件，将STL格式文件输入3D打印系统中，设置好参数以及打印路径，层间交叉角度为0°～180°；采用熔融沉积成型工艺，在密闭环境下进行3D打印，首先将打印挤出头和底板恢复到零点位置，对挤出头高度进行微调，然后进行第一层的打印，第一层打印结束后，挤出头上升高度与层厚相同，改变层间角度进行下一层的打印，直到变形材料打印完毕。
第二步中可将变形材料根据需要设计成同一层中包括两种以上不同打印路径的结构，即同一层中包括两种或两种以上打印方向。
变形材料打印完毕后，将变形材料放置在空气中自然冷却，变形材料降温到20℃～25℃，定义变形材料此时的形状为初始形状，将变形材料加热到140℃～170℃使其变软，通过在不同的部分施加外力，赋予变形材料不同的形状，然后让其自然冷却到20℃～25℃，再对变形材料进行加热，温度达到140℃～170℃后，变形材料会恢复到初始形状，实现智能变形。
第一步中聚醚醚酮粉末与碳纤维搅拌混合8～10分钟。
第一步中加热挤出装置依次包括四级加热，第一级加热温度120℃～140℃，第二级加热温度180℃～200℃，第三级加热温度240℃～260℃，第四级加热温度320℃～360℃，混合物加热为半熔融状态，内部采用螺杆挤出的方式通过螺旋挤出，螺杆转速110rpm～140rpm，挤出头直径1mm～3mm。
第二步中打印机挤出头出口直径1mm～3mm，挤出速度45mm/s～120mm/s，挤出头温度为300℃～350℃，环境温度25℃～120℃，底板温度100℃～140℃，填充率为40％～80％，打印层厚为0.15mm～0.3mm。
本发明的有益效果：
本发明是基于3D打印技术，以聚醚醚酮粉末和碳纤维为主体材料。通过控制设计3D打印过程中打印的形状，可编程路径，改变层间的交叉角度，可以使预变形结构更加复杂多样，平行于打印路径也可以助益其变形，可以获得更大的变形和变形恢复率。这种制备方法简化了加工步骤，节省生产成本，提高了加工效率。
本发明所制备的3D打印智能变形材料，通过碳纤维对聚醚醚酮进行改性，降低了聚醚醚酮的打印温度，防止过高的打印温度使聚醚醚酮集团发生分解，丧失变形性能，且平行于碳纤维的方向可以提升和促进变形，使材料具有良好的变形性能。
本发明所制备聚合物丝材时进行四级加热，可以对混合粉末材料进行充分的预热，避免过长时间处于高温状态，对材料的性能造成影响，影响3D打印材料的变形性能。
所得智能变形材料通过添加碳纤维，除实现了具备良好的结构设计性与变形多样性之外，还具有高力学强度值，在实际应用中，能够提高3D打印智能材料的使用寿命。
附图说明
图1为本发明粉末四级加热挤出装置结构示意图。
图2为本发明打印不同层间角度变形材料示意图。
图3为本发明不同层间角度变形材料变形过程实例。
图4为本发明打印局部不同路径变形材料示意图。
图5为本发明局部不同路径变形材料变形过程实例。
具体实施方式
实施例1：
请参阅图1、2、3所示：
第一步、聚合物丝材的制备：
按质量百分比取聚醚醚酮粉末95％，碳纤维5％，进行搅拌混合8～10分钟，混合均匀后将混合物加入加热挤出装置进行加热融化，加热挤出装置依次包括四级加热，第一级加热温度120℃～140℃，第二级加热温度180℃～200℃，第三级加热温度240℃～260℃，第四级加热温度320℃～360℃，混合物加热为半熔融状态，内部采用螺杆挤出的方式通过螺旋挤出，螺杆转速110rpm～140rpm，挤出头直径1mm～3mm，加热后由加热挤出装置挤出到25℃～40℃的冷却水槽中进行冷却，制成丝材，作为3D打印的耗材；
第二步、智能变形材料的3D打印：
设计变形材料的结构，用Solidworks对变形材料进行三维建模，然后根据设计层厚对模型进行切片处理，转换生成STL格式文件，将STL格式文件输入3D打印系统中，设置好参数以及打印路径，层间交叉角度可以为30°、60°或90°；采用熔融沉积成型工艺，在密闭环境下进行3D打印，打印机挤出头出口直径1mm～3mm，挤出速度45mm/s～120mm/s，挤出头温度为300℃～350℃，环境温度25℃～120℃，底板温度100℃～140℃，填充率为40％～80％，打印层厚为0.15mm～0.3mm，首先将打印挤出头和底板恢复到零点位置，对挤出头高度进行微调，然后进行第一层的打印，第一层打印结束后，挤出头上升高度与层厚相同，改变层间角度进行下一层的打印，直到变形材料打印完毕。
变形材料打印完毕后，将变形材料放置在空气中自然冷却，变形材料降温到20℃～25℃，定义变形材料此时的形状为初始形状，将变形材料加热到140℃～170℃使其变软，通过在不同的部分施加外力，赋予变形材料不同的形状，然后让其自然冷却到20℃～25℃，再对变形材料进行加热，温度达到140℃～170℃后，变形材料会恢复到初始形状，实现智能变形。
实施例2：
请参阅图1、4、5所示：
第一步、聚合物丝材的制备：
按质量百分比取聚醚醚酮粉末80％，碳纤维20％，进行搅拌混合8～10分钟，混合均匀后将混合物加入加热挤出装置进行加热融化，加热挤出装置依次包括四级加热，第一级加热温度120℃～140℃，第二级加热温度180℃～200℃，第三级加热温度240℃～260℃，第四级加热温度320℃～360℃，混合物加热为半熔融状态，内部采用螺杆挤出的方式通过螺旋挤出，螺杆转速110rpm～140rpm，挤出头直径1mm～3mm，加热后由加热挤出装置挤出到25℃～40℃的冷却水槽中进行冷却，制成丝材，作为3D打印的耗材；
第二步、智能变形材料的3D打印：
设计变形材料的结构，用Solidworks对变形材料进行三维建模，然后根据设计层厚对模型进行切片处理，转换生成STL格式文件，将STL格式文件输入3D打印系统中，设置好参数以及打印路径，层间交叉角度为90°，同一层中局部打印路径不同，即同一层中包括两种或两种以上打印方向；采用熔融沉积成型工艺，在密闭环境下进行3D打印，打印机挤出头出口直径1mm～3mm，挤出速度45mm/s～120mm/s，挤出头温度为300℃～350℃，环境温度25℃～120℃，底板温度100℃～140℃，填充率为40％～80％，打印层厚为0.15mm～0.3mm，首先将打印挤出头和底板恢复到零点位置，对挤出头高度进行微调，然后进行第一层的打印，第一层打印结束后，挤出头上升高度与层厚相同，改变层间角度进行下一层的打印，直到变形材料打印完毕。
变形材料打印完毕后，将变形材料放置在空气中自然冷却，变形材料降温到20℃～25℃，定义变形材料此时的形状为初始形状，将变形材料加热到140℃～170℃使其变软，通过在不同的部分施加外力，赋予变形材料不同的形状，然后让其自然冷却到20℃～25℃，再对变形材料进行加热，温度达到140℃～170℃后，变形材料会恢复到初始形状，实现智能变形。
Claims (6)
1.一种3D打印智能变形材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步、聚合物丝材的制备：
按质量百分比取聚醚醚酮粉末70％～100％，碳纤维0％～30％，进行搅拌混合，混合均匀后将混合物加入加热挤出装置进行加热融化，加热后由加热挤出装置挤出到25℃～40℃的冷却水槽中进行冷却，制成丝材，作为3D打印的耗材；
第二步、智能变形材料的3D打印：
设计变形材料的结构，用Solidworks对变形材料进行三维建模，然后根据设计层厚对模型进行切片处理，转换生成STL格式文件，将STL格式文件输入3D打印系统中，设置好参数以及打印路径，层间交叉角度为0°～180°；采用熔融沉积成型工艺，在密闭环境下进行3D打印，首先将打印挤出头和底板恢复到零点位置，对挤出头高度进行微调，然后进行第一层的打印，第一层打印结束后，挤出头上升高度与层厚相同，改变层间角度进行下一层的打印，直到变形材料打印完毕。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印智能变形材料的制备方法，其特征在于：第二步中同一层包括两种以上不同打印路径。
3.根据权利要求1所述的一种3D打印智能变形材料的制备方法，其特征在于：变形材料打印完毕后，将变形材料放置在空气中自然冷却，变形材料降温到20℃～25℃，定义变形材料此时的形状为初始形状，将变形材料加热到140℃～170℃使其变软，通过在不同的部分施加外力，赋予变形材料不同的形状，然后让其自然冷却到20℃～25℃，再对变形材料进行加热，温度达到140℃～170℃后，变形材料会恢复到初始形状，实现智能变形。
4.根据权利要求1所述的一种3D打印智能变形材料的制备方法，其特征在于：第一步中聚醚醚酮粉末与碳纤维搅拌混合8～10分钟。
5.根据权利要求1所述的一种3D打印智能变形材料的制备方法，其特征在于：第一步中加热挤出装置依次包括四级加热，第一级加热温度120℃～140℃，第二级加热温度180℃～200℃，第三级加热温度240℃～260℃，第四级加热温度320℃～360℃，混合物加热为半熔融状态，内部采用螺杆挤出的方式通过螺旋挤出，螺杆转速110rpm～140rpm，挤出头直径1mm～3mm。
6.根据权利要求1所述的一种3D打印智能变形材料的制备方法，其特征在于：第二步中打印机挤出头出口直径1mm～3mm，挤出速度45mm/s～120mm/s，挤出头温度为300℃～350℃，环境温度25℃～120℃，底板温度100℃～140℃，填充率为40％～80％，打印层厚为0.15mm～0.3mm。
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