[发明专利]一种具有三明治结构双组份材料及其基于3D打印的制备方法

说明书

本发明提供一种具有三明治结构双组份材料及其基于3D打印的制备方法。其中，采用所述喷头在3D打印过程中沉积的线条具有三明治结构，且可以通过调节工艺参数实现沉积线条中两个组份的比例控制，达到微观性能的调控，继而实现宏观上制件中的各部位性能的调控。相比于单一组分打印材料，本发明通过喷头设计和材料体系的选择实现沉积线条中两个组分材料的比例控制，达到微观性能的调控，继而实现宏观上制件中的各部位性能的调控和互补。同时通过引入第二组分材料可弥补第一组分材料性能上的不足，改善微观沉积线条的性能，从而优化整个打印制件的性能。

技术领域

本发明涉及一种具有三明治结构双组份材料及其基于3D打印的制备方法，属于增材制造技术领域。

背景技术

随着电子信息技术的成熟，3D打印也应运而生并大规模普及，开启了无模具制造的时代。《经济学人》杂志曾描述，以3D打印为代表的数字化制造技术将改写制造业的生产方式，进而改变产业链的运作模式。

3D打印，又名增材制造(Additive Manufacturing,AM)出现于20世纪70年代。按照美国材料与试验协会国际标准组织F42增材制造技术委员会给出的定义：3D打印是根据3D模型数据，用材料的层层相连接来制造物体的工艺。其核心就是将所需成型制件的复杂3D实体通过切片处理转化为简单的2D截面的组合，依据制件的3D计算机辅助设计模型，在3D打印设备上直接成型实体制件。3D打印最大的特点是不用模具成型，因此可以省去开模费用，大大降低成本。

熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)是利用高温将材料融化，通过打印头挤出成细丝，在构件平台堆积成型。FDM是最常见的3D打印技术，其工作过程为：在计算机的控制下，按照三维模型确定的制件截面轮廓，打印喷头作水平X方向的运动，构件平台作水平Y方向的运动，同时由送丝机构将热塑性塑料丝送入喷头，受加热后成为可流动的熔体，然后通过喷嘴挤出并沉积在平台上。FDM采用的3D打印材料主要是为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚乳酸(PLA)、聚酰胺(PA)和聚碳酸酯(PC)等。但是这些单一组份的材料打印的产品往往性能比较单一，不能满足多样化的使用需求。比如PLA的韧性比较差，受到冲击时容易开裂。针对这个问题，目前主要是通过对材料本体进行改性来解决。

改性是热塑性高分子常用的处理手段，通过物理、机械和化学等作用使高分子材料原有性能得到改善。但是改性后的材料在3D打印过程中依然在微观上是均一的，不能根据制品的结构和形状在微观上进行材料设计。

CN201810741380.2公开了一种功能化皮芯结构的3D打印线材的制备，其首先采用偶联剂包覆的功能助剂与柔性聚合物经双螺杆挤出机共混得到母粒，再将母粒与PLA共混经单螺杆挤出制成线材。虽然制得的3D打印线材具有皮芯结构，但是在3D打印过程中由于受到喷头的挤压会发生皮层和芯层的融合，沉积线条达不到皮芯结构。

由于3D打印是逐层进行的，可以根据制件的结构进行材料设计，达到制件中部位的性能可根据其要求进行调控的理想状态。例如制件中受力部位的强度相对其他部位较高等。有学者结合FDM的工艺特点采用多流道单喷头打印不同组份的材料，可实现制件中不同部位具有不同配比的组份。CN201810761848.4公开了一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，其分别将皮层聚合物和芯层聚合物经不同流道输送至3D打印机不同喷嘴的外层和中层挤出制得皮芯结构的双组份材料。但是这类3D打印机部件多、结构复杂，而实现其关键作用的某一部件往往是没有公开的。

除了上述提到的皮芯结构，目前3D打印领域中对打印制件在微观上进行材料设计还是相对较少，需要广大的科研人员去进行相关研究和探索，使3D打印从普通原型件制造转向功能原型件制造，进一步拓宽其应用范围。

发明内容