一種基于水基無(wú)機(jī)粘結(jié)劑的粉末3d打印方法
【專利摘要】一種基于水基無(wú)機(jī)粘結(jié)劑的粉末3D打印方法，先采用去離子水為粘結(jié)劑溶劑，加入氯化物鹽作為粘結(jié)劑組分，添加助揮發(fā)劑、著色劑、改性劑，混合形成的無(wú)機(jī)鹽水溶液作為粉末3D打印機(jī)的粘結(jié)劑；再采用與所用氯化物相對(duì)應(yīng)的無(wú)機(jī)鹽氧化物粉末作為反應(yīng)材料，與3D打印機(jī)原料粉末進(jìn)行混合，再加入助熔劑形成的混合粉末作為粉末3D打印的材料；然后將粘結(jié)劑與混合粉末進(jìn)行粉末3D打印，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)制品的粉末3D打印快速制造，也保證了制造過(guò)程的環(huán)保性，降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
【專利說(shuō)明】一種基于水基無(wú)機(jī)粘結(jié)劑的粉末3D打印方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及粉末3D打印【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于水基無(wú)機(jī)粘結(jié)劑的粉末3D 打印方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 粉末3D打?。?DP)是一種利用微滴噴射、粉末粘結(jié)技術(shù)的3D打印方法。噴頭在 計(jì)算機(jī)控制下，按照當(dāng)前分層截面的信息，在事先鋪好的一層粉末材料上，有選擇性地噴射 粘結(jié)劑，使部分粉末粘結(jié)，形成一層截面薄層；一層成形完后，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚，進(jìn)行下 一層的鋪粉，繼而選區(qū)噴射粘結(jié)劑，成形薄層同時(shí)也會(huì)與已成形零件粘為一體；不斷循環(huán)此 過(guò)程，直至零件加工完為止；通常所成形的零件還需要一定的后處理，如干燥、燒結(jié)等，從而 得到最后的零件。
[0003] 在粉末3D打印工藝過(guò)程中，一般要求用于打印頭噴射的粘結(jié)劑其性能穩(wěn)定、能長(zhǎng) 期儲(chǔ)存、對(duì)噴頭無(wú)腐蝕作用、粘度低以及表面張力適宜等。通常，可以采用的液體粘結(jié)劑能 夠分為這三種類型：一、本身既不與粉末反應(yīng)也不起粘結(jié)作用的液體，如氯仿、乙醇等，它們 只起到為粉末相互結(jié)合提供介質(zhì)的作用，其本身在模具制作完畢之后會(huì)揮發(fā)到幾乎不剩下 任何物質(zhì)，對(duì)于本身就可以通過(guò)自反應(yīng)硬化的粉末適用；二、本身會(huì)與粉末反應(yīng)的液體及本 身有部分粘結(jié)作用的液體，如目前較為常用的有機(jī)粘結(jié)劑，它們通過(guò)液體浸潤(rùn)并連接粉末， 然后部分液體揮發(fā)，剩下的具有粘結(jié)作用的粘結(jié)劑會(huì)將粉末相互結(jié)合，其中，可添加的粘結(jié) 組分包括縮丁醛樹(shù)脂、聚氯乙烯、聚碳硅烷、聚乙烯吡咯烷酮以及一些其他高分子樹(shù)脂等； 三、粘結(jié)劑本身可以與粉末之間能反應(yīng)的，如以氧化鋁為主要成分的粉末，可通過(guò)酸性粘結(jié) 劑的噴射反應(yīng)固化，通常對(duì)于金屬粉末，常常是在粘結(jié)劑中加入一些金屬鹽來(lái)誘發(fā)其反應(yīng)。
[0004] 然而，正如以上內(nèi)容所述，傳統(tǒng)粉末3D打印工藝多采用有機(jī)粘結(jié)劑體系，而這種 粘結(jié)劑體系主要存在以下兩個(gè)方面的缺點(diǎn)：
[0005] 1)有機(jī)物粘結(jié)劑穩(wěn)定性不好，在受到外界影響后，容易變質(zhì)，不以存儲(chǔ)，同時(shí)，有機(jī) 粘結(jié)劑也容易腐蝕粘結(jié)劑的輸送管道和打印噴頭，容易造成噴頭的堵塞；
[0006] 2)粉末3D打印所得到的零件通常需要進(jìn)行脫脂、煅燒等后處理，但是，由于傳統(tǒng) 的有機(jī)物粘結(jié)劑在高溫中性能不穩(wěn)定，容易分解，達(dá)不到粘結(jié)效果，并可能釋放有毒氣體， 使粉末3D打印制造出來(lái)的零件在脫脂、煅燒后，難以獲得較高的致密度及強(qiáng)度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于水基無(wú)機(jī)粘結(jié)劑 的粉末3D打印方法，保證了制造過(guò)程的環(huán)保性，降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
[0008] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0009] -種基于水基無(wú)機(jī)粘結(jié)劑的粉末3D打印方法，包括以下步驟：
[0010] 1)采用35-50份去離子水為粘結(jié)劑溶劑，加入50-65份氯化物鹽作為粘結(jié)劑組分， 添加0-50份助揮發(fā)劑提高粘結(jié)劑的干燥速度，添加0-5份著色劑進(jìn)行粘結(jié)劑的著色，加入 0-5份改性劑進(jìn)行粘結(jié)劑的改性，混合形成的無(wú)機(jī)鹽水溶液作為粉末3D打印機(jī)的粘結(jié)劑， 將這種無(wú)機(jī)鹽水溶液作為粘結(jié)劑粘結(jié)反應(yīng)的第一個(gè)反應(yīng)物；
[0011] 2)采用與步驟1)所用氯化物相對(duì)應(yīng)的無(wú)機(jī)鹽氧化物粉末作為反應(yīng)材料，即采用 15-30份氧化鎂（MgO)或是15-30份氧化鋅（ZnO)作為第二反應(yīng)物，第二反應(yīng)物與70-85份 3D打印機(jī)原料粉末進(jìn)行混合，再加入0-10份助熔劑進(jìn)行粉末性能的調(diào)節(jié)，以上所形成的混 合粉末作為粉末3D打印的材料；
[0012] 3)采用20-40份步驟1)配制的粘結(jié)劑與60-80份步驟2)制備的混合粉末進(jìn)行粉 末3D打印，打印完成后保存打印零件在粉末3D打印機(jī)內(nèi)部進(jìn)行自然干燥，或者送入到熱干 燥箱或微波干燥箱中進(jìn)行干燥；干燥完成后，去除未粘結(jié)粉末，直接獲得無(wú)機(jī)粘結(jié)劑粘結(jié)陶 瓷零件；
[0013] 4)根據(jù)材料組成需要，進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，獲得高強(qiáng)度零件；
[0014] 所述份數(shù)為質(zhì)量份數(shù)。
[0015] 所述氯化物鹽是氯化鎂^8(：12)或氯化鋅（211(：1 2)的濃度為5(%?70(%水溶液。
[0016] 所述的助揮發(fā)劑為酒精、丙酮或甲醇。
[0017] 所述的著色劑為有機(jī)墨水或無(wú)機(jī)墨水。
[0018] 所述的改性劑為增稠劑、表面改性劑或分散劑。
[0019] 所述的原料粉末為陶瓷、硅藻土、砂或石膏的粉末。
[0020] 所述的助熔劑為氧化鈣（CaO)、氧化鉀（K20)、氧化鈉（Na20)、氧化鉛（PbO)或氧化 硼（B 203)。
[0021] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是采用氯化物溶液與對(duì)應(yīng)氧化物粉末形成的水基無(wú)機(jī)粘結(jié)劑體系 作為粉末3D打印工藝的粘結(jié)劑，這種粘結(jié)劑體系相對(duì)于有機(jī)物粘結(jié)劑的不穩(wěn)定性而言，其 性能穩(wěn)定、更易于保存；同時(shí)，基于水基的無(wú)機(jī)粘結(jié)劑，其粘度低，不易堵塞噴頭，對(duì)噴頭無(wú) 腐蝕作用，可以獲得更加適宜的表面張力，從而可以實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)制品的粉末3D打印 快速制造，也保證了制造過(guò)程的環(huán)保性，降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)描述。
[0023] 實(shí)施例1
[0024] -種基于水基無(wú)機(jī)粘結(jié)劑的粉末3D打印方法，包括以下步驟：
[0025] 1)采用35份去離子水為粘結(jié)劑溶劑，加入64份氯化鎂（MgCl2) 40%水溶液作為 粘結(jié)劑組分，添加1份酒精作為助揮發(fā)劑提高粘結(jié)劑的干燥速度，不添加著色劑進(jìn)行粘結(jié) 劑的著色，也不添加改性劑進(jìn)行粘結(jié)劑的改性，混合形成的無(wú)機(jī)鹽水溶液作為粉末3D打印 機(jī)的粘結(jié)劑，將這種無(wú)機(jī)鹽水溶液作為粘結(jié)劑粘結(jié)反應(yīng)的第一個(gè)反應(yīng)物；
[0026] 2)采用與步驟1)所用氯化物相對(duì)應(yīng)的無(wú)機(jī)鹽氧化物粉末作為反應(yīng)材料，即采用 15份氧化鎂（MgO)作為第二反應(yīng)物，第二反應(yīng)物與85份3D打印機(jī)的陶瓷粉末進(jìn)行混合，不 添加助熔劑進(jìn)行粉末性能的調(diào)節(jié)，以上所形成的混合粉末作為粉末3D打印的材料；
[0027] 3)采用40份步驟1)配制的粘結(jié)劑與60份步驟2)制備的混合粉末進(jìn)行粉末3D 打印，打印完成后保存打印零件在粉末3D打印機(jī)內(nèi)部進(jìn)行自然干燥，或者送入到熱干燥箱 或微波干燥箱中進(jìn)行干燥；干燥完成后，去除未粘結(jié)粉末，可直接獲得無(wú)機(jī)粘結(jié)劑粘結(jié)陶瓷 零件；
[0028] 4)根據(jù)材料組成需要，進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，獲得高強(qiáng)度零件，所述份數(shù)為質(zhì)量份數(shù)。
[0029] 采用實(shí)施例1方案得到的液體粘結(jié)劑溶液，在室溫下，其粘度〈2 X l(T3Pa · s，粘度 較低，氯化鎂與其相對(duì)應(yīng)的無(wú)機(jī)鹽氧化鎂形成的粘結(jié)劑粘結(jié)強(qiáng)度>〇. 8MPa，粘結(jié)效果好，可 以很好地滿足粉末彩色3D打印要求。
[0030] 實(shí)施例2
[0031] 一種基于水基無(wú)機(jī)粘結(jié)劑的粉末3D打印方法，包括以下步驟：
[0032] 1)采用35份去離子水為粘結(jié)劑溶劑，加入64份氯化鋅（ZnCl2) 40%水溶液作為 粘結(jié)劑組分，添加1份酒精作為助揮發(fā)劑提高粘結(jié)劑的干燥速度，不添加著色劑進(jìn)行粘結(jié) 劑的著色，也不添加改性劑進(jìn)行粘結(jié)劑的改性，混合形成的無(wú)機(jī)鹽水溶液作為粉末3D打印 機(jī)的粘結(jié)劑，將這種無(wú)機(jī)鹽水溶液作為粘結(jié)劑粘結(jié)反應(yīng)的第一個(gè)反應(yīng)物；
[0033] 2)采用與步驟1)所用氯化物相對(duì)應(yīng)的無(wú)機(jī)鹽氧化物粉末作為反應(yīng)材料，即采用 30份氧化鋅（ZnO)作為第二反應(yīng)物，第二反應(yīng)物與70份3D打印機(jī)的硅藻土粉末進(jìn)行混合， 不添加助熔劑進(jìn)行粉末性能的調(diào)節(jié)，以上所形成的混合粉末作為粉末3D打印的材料；
[0034] 3)采用40份步驟1)配制的粘結(jié)劑與60份步驟2)制備的混合粉末進(jìn)行粉末3D 打印，打印完成后保存打印零件在粉末3D打印機(jī)內(nèi)部進(jìn)行自然干燥，或者送入到熱干燥箱 或微波干燥箱中進(jìn)行干燥；干燥完成后，去除未粘結(jié)粉末，可直接獲得無(wú)機(jī)粘結(jié)劑粘結(jié)陶瓷 零件；
[0035] 4)根據(jù)材料組成需要，進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，獲得高強(qiáng)度零件，所述份數(shù)為質(zhì)量份數(shù)。
[0036] 采用實(shí)施例2方案得到的液體粘結(jié)劑溶液，在室溫下，其粘度〈2 X l(T3Pa · s，粘度 較低，氯化鋅與其相對(duì)應(yīng)的無(wú)機(jī)鹽氧化鋅形成的粘結(jié)劑粘結(jié)強(qiáng)度>〇. 8MPa，粘結(jié)效果好，可 以很好地滿足粉末彩色3D打印要求。
[0037] 實(shí)施例3
[0038] -種基于水基無(wú)機(jī)粘結(jié)劑的粉末3D打印方法，包括以下步驟：
[0039] 1)采用45份去離子水為粘結(jié)劑溶劑，加入50份氯化鋅（ZnCl2) 40%水溶液作為 粘結(jié)劑組分，添加1份酒精作為助揮發(fā)劑提高粘結(jié)劑的干燥速度，添加3份無(wú)機(jī)墨水作為著 色劑進(jìn)行粘結(jié)劑的著色，添加1份增稠劑作為改性劑進(jìn)行粘結(jié)劑的改性，混合形成的無(wú)機(jī) 鹽水溶液作為粉末3D打印機(jī)的粘結(jié)劑，將這種無(wú)機(jī)鹽水溶液作為粘結(jié)劑粘結(jié)反應(yīng)的第一 個(gè)反應(yīng)物；
[0040] 2)采用與步驟1)所用氯化物相對(duì)應(yīng)的無(wú)機(jī)鹽氧化物粉末作為反應(yīng)材料，即采用 30份氧化鋅（ZnO)作為第二反應(yīng)物，第二反應(yīng)物與65份3D打印機(jī)的砂粉末進(jìn)行混合，添加 5份氧化鈣（CaO)作為助熔劑進(jìn)行粉末性能的調(diào)節(jié)，以上所形成的混合粉末作為粉末3D打 印的材料；
[0041] 3)采用40份步驟1)配制的粘結(jié)劑與60份步驟2)制備的混合粉末進(jìn)行粉末3D 打印，打印完成后保存打印零件在粉末3D打印機(jī)內(nèi)部進(jìn)行自然干燥，或者送入到熱干燥箱 或微波干燥箱中進(jìn)行干燥；干燥完成后，去除未粘結(jié)粉末，可直接獲得無(wú)機(jī)粘結(jié)劑粘結(jié)陶瓷 零件；
[0042] 4)根據(jù)材料組成需要，進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，獲得高強(qiáng)度零件，所述份數(shù)為質(zhì)量份數(shù)。
[0043] 采用實(shí)施例3方案得到的液體粘結(jié)劑溶液，在室溫下，其粘度〈1. 5 X l(T3Pa · s，粘 度近乎于純水；氯化鋅與其相對(duì)應(yīng)的無(wú)機(jī)鹽氧化鋅形成的粘結(jié)劑粘結(jié)強(qiáng)度>0. 5MPa，粘結(jié) 效果較好；加入了著色劑，增加了顏色，可以實(shí)現(xiàn)粉末彩色3D打??；加入助揮發(fā)劑，揮發(fā)效 果較好，增加了粘結(jié)效果；加入了助熔劑，可以降低零件在后處理高溫?zé)Y(jié)的溫度，可以很 好地滿足粉末彩色3D打印要求。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于水基無(wú)機(jī)粘結(jié)劑的粉末3D打印方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 采用35-50份去離子水為粘結(jié)劑溶劑，加入50-65份氯化物鹽作為粘結(jié)劑組分，添加 0-50份助揮發(fā)劑提高粘結(jié)劑的干燥速度，添加0-5份著色劑進(jìn)行粘結(jié)劑的著色，加入0-5份 改性劑進(jìn)行粘結(jié)劑的改性，混合形成的無(wú)機(jī)鹽水溶液作為粉末3D打印機(jī)的粘結(jié)劑，將這種 無(wú)機(jī)鹽水溶液作為粘結(jié)劑粘結(jié)反應(yīng)的第一個(gè)反應(yīng)物； 2) 采用與步驟1)所用氯化物相對(duì)應(yīng)的無(wú)機(jī)鹽氧化物粉末作為反應(yīng)材料，即采用15-30 份氧化鎂（MgO)或是15-30份氧化鋅（ZnO)作為第二反應(yīng)物，第二反應(yīng)物與70-85份3D打 印機(jī)原料粉末進(jìn)行混合，再加入〇-1〇份助熔劑進(jìn)行粉末性能的調(diào)節(jié)，以上所形成的混合粉 末作為粉末3D打印的材料； 3) 采用20-40份步驟1)配制的粘結(jié)劑與60-80份步驟2)制備的混合粉末進(jìn)行粉末 3D打印，打印完成后保存打印零件在粉末3D打印機(jī)內(nèi)部進(jìn)行自然干燥，或者送入到熱干燥 箱或微波干燥箱中進(jìn)行干燥；干燥完成后，去除未粘結(jié)粉末，直接獲得無(wú)機(jī)粘結(jié)劑粘結(jié)陶瓷 零件； 4) 根據(jù)材料組成需要，進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，獲得高強(qiáng)度零件； 所述份數(shù)為質(zhì)量份數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于水基無(wú)機(jī)粘結(jié)劑的粉末3D打印方法，其特征在于： 所述氯化物鹽是氯化鎂（MgCl2)或氯化鋅（ZnCl 2)的濃度為5%?70%水溶液。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于水基無(wú)機(jī)粘結(jié)劑的粉末3D打印方法，其特征在于： 所述的助揮發(fā)劑為酒精、丙酮或甲醇。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于水基無(wú)機(jī)粘結(jié)劑的粉末3D打印方法，其特征在于： 所述的著色劑為有機(jī)墨水或無(wú)機(jī)墨水。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于水基無(wú)機(jī)粘結(jié)劑的粉末3D打印方法，其特征在于： 所述的改性劑為增稠劑、表面改性劑或分散劑。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于水基無(wú)機(jī)粘結(jié)劑的粉末3D打印方法，其特征在于： 所述的原料粉末為陶瓷、硅藻土、砂或石膏的粉末。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于水基無(wú)機(jī)粘結(jié)劑的粉末3D打印方法，其特征在于： 所述的助熔劑為氧化鈣（CaO)、氧化鉀（K 20)、氧化鈉（Na20)、氧化鉛（PbO)或氧化硼（B203)。
【文檔編號(hào)】C04B14/08GK104150915SQ201410384306
【公開(kāi)日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月6日
【發(fā)明者】田小永, 楊春成, 李滌塵 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)