[发明专利]一种水性3D打印坯体方法及其成型方法

说明书

技术领域

本发明涉及3D技术领域，更具体地，涉及一种水性3D打印坯体方法及其成型方法。

背景技术

3D打印技术是一种新兴的快速成型技术，通过逐层叠加材料制造三维立体

结构实物的技术，不同于传统的去除材料制造技术，因此又称为增材制造，3D打印主要有选择性激光烧结技术(SLS)、熔融沉淀技术(FDM)和立体光固化技术(SLA)。

先进陶瓷材料及硬质材料的高强高硬特性，使其难以加工成型，科技发展对陶瓷、硬质合金制件复杂程度与精度要求越来越高，这已成为其应用的最大障碍。而增材制造（3D打印）技术的出现，则使突破先进陶瓷应用的最大障碍即成型困难成为可能。3D打印陶瓷无需原胚和模具，也不需加工，就能直接根据计算机图形数据，通过增加材料的方法生成任何形状的复杂形状物体，因此受到国内外陶瓷领域专家高度的关注。陶瓷与硬质合金的高熔点、高硬脆性导致其增材制造最难打印成型的材料，通常要借助高分子材料或金属材料作为粘结剂进行3D打印。采激光选区烧结、激光选区熔化、激光近净成型、电子束选区熔化等直接成型方式往往在快速凝固过程中会产生较大的热应力，从而形成较多的微裂纹，不适合增材制造陶瓷材料。熔融沉积成型即将陶瓷粉末和有机粘结剂相混合，用挤出机或毛细血管流变仪做成丝，然后分层堆积成型方式做出陶瓷件生胚，后续烧结制备。此方法的缺点是表面出现层状纹理，成型精度差，需后续打磨处理。光固化是3D打印技术成型精度最高，并且高效，高集成化，材料利用率高，其打印陶瓷粉末的工作原理是将通过激光在加有陶瓷粉体或前驱体液态光敏树脂选择性地固化成型复杂零件，然后经干燥、脱脂、烧结，故而可以保征成型陶瓷产品的虽然高精度，但是其设备较为昂贵，系统对液体操作要求苛刻，成型件多为树脂，材料价格贵且性能有限，不利于长期储存，对环境污染严重。

针对现有3D打印技术存在的缺陷，本发明将注凝成型技术与3D打印相结合，提出一种水性3D打印成型方法，凝胶注模成型工艺的原理是原位凝胶固化，成型速度较快，能够近净尺寸成型复杂部件，并且坯体均匀性好、机械强度高、烧结性能优异，因此拓展凝胶注模成型技术与 3D 打印技术结合，将提供一种全新的3D打印技术，从而解决现有3D打印技术的缺陷，大大拓展应用3D成型的材料领域。

发明内容

本发明要解决的技术问题针对现有技术的不足，引入注凝成型工艺，以水为载体，结合3D打印技术，提供一种全新的水性3D打印坯体方法。

本发明还提供一种水性3D打印成型方法。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

提供一种水性3D打印成型方法，包括以下步骤：

S1.以水为载体，添加能与水形成悬浮液的粉体材料配成粉体悬浮液，所述粉体悬浮液的固相体积分数为20～65%，并向粉体悬浮液中加入有机单体，得到浆料A备用；

S2.配好能与步骤S1有机单体发生胶凝反应的物质B备用；

S3.将步骤S1中浆料A和步骤S2中物质B均匀混合，得到混合物C；

S4.将混合物C输送至3D打印头并给予能加速有机单体聚合的条件，按照三维模型数据进行打印，层层堆积成型，最终得到所需形状的坯体。

本发明的原理在于以水为载体，加入低密度的粉体材料后形成分散性较好的粉体悬浮液，所述粉体悬浮液粘度低，固相含量高、流动性好，加入有机单体后，将分散均匀的粉体悬浮液中的颗粒包覆使之原位固定，从而得到粉体与高分子有机物的复合材料的悬浮液，通过与有机单体发生胶凝反应的物质B混合使悬浮液体中的有机单体发生化学交联或物理交联成三维网络状结构，结合3D打印技术快速制备得到高深坯强度和精准度的坯体。

优选地，步骤S1中所述粉体材料为低密度的陶瓷粉末或超细金属粉末，并能与水形成粉体悬浮液。

优选地，步骤S1中配成粉体悬浮液过程中还加入了交联剂，更优选地还加入了分散剂、除泡剂、流平剂、添加剂、催化剂的一种或多种，加入分散剂进一步地提高粉体在悬浮液中的分散性，加入了交联剂形成多组元凝胶体系，对于不同的有机单体体系，需要使用不同的相对应的引发剂。

优选地，步骤S2中所述物质B为引发剂或光固化剂，根据实际情况，在有限次实验下可以选择能使有机单体发生胶凝反应的最佳组合，其中引发剂和催化剂不能同时添加，并且在添加前需要分开存放，因此可以将催化剂提前加入到浆料A中。

优选地，步骤S3中所述浆料A通过重力或注射的方式与物质B混合。