一種熔絲沉積成型三維打印材料打印適用性評(píng)價(jià)方法
【專利說明】
[0001]技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種適用于FDM 3D打印的適用性評(píng)價(jià)方法，是一種針對(duì)性的判別3D打印原料適用性的評(píng)價(jià)方法。
[0002]【背景技術(shù)】:
恪絲沉積成形(FDM)三維打印技術(shù)最早由Stratasys公司于上世紀(jì)80年代末期推出，是采用熱能加熱熱塑性材料，并從擠出頭擠出熔融材料從而逐層堆積出原型件的一種工藝。雖然相比其他幾種三維打印技術(shù)，F(xiàn)DM的打印精度、打印速度和制品性能都沒有特別的優(yōu)勢(shì)，但是由于其擁有低成本、易操作、辦公友好等眾多優(yōu)點(diǎn)，越來越多的人開始可以容易的接觸到這種親民的三維打印技術(shù)，這使得FDM成為了近年來發(fā)展最為迅速的三維打印技術(shù)。有調(diào)查報(bào)告顯示，2014年FDM型三維打印機(jī)出貨量穩(wěn)居世界三維打印市場首位，大眾認(rèn)知度也最高。隨著不同的FDM開源項(xiàng)目如3D打印機(jī)(Reprap)等硬件/軟件支持，現(xiàn)在國內(nèi)市場上活躍的熔絲沉積三維打印機(jī)生產(chǎn)廠家有數(shù)十家，機(jī)型包括各類企業(yè)自行優(yōu)化結(jié)構(gòu)和功能的產(chǎn)品和國外開源機(jī)構(gòu)分享技術(shù)的產(chǎn)品，大眾花費(fèi)1000至數(shù)千人民幣即可在各類網(wǎng)站上買到一臺(tái)屬于自己的FDM三維打印機(jī)。
[0003]熔絲沉積成型工藝對(duì)成型材料的要求主要有以下幾點(diǎn)，第一:材料的熔融溫度低，這樣可以方便加熱。第二:粘度低，粘接性好，這樣使得材料的流動(dòng)性好，阻力小，有利于順利出絲。第三:收縮率小，因?yàn)槭湛s率會(huì)直接影響到最終成型制品的質(zhì)量。目前可以用來制作絲材或線材的材料主要有石蠟，塑料，尼龍絲等低熔點(diǎn)材料和低熔點(diǎn)金屬陶瓷等。現(xiàn)在市場上使用的最普遍的是聚乳酸(PLA)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)這兩種熱塑性材料。
[0004]對(duì)于熔絲材料的質(zhì)量等級(jí)劃分至今沒有一個(gè)特定的標(biāo)準(zhǔn)，一般都是根據(jù)實(shí)際的打印情況而定，比如我們現(xiàn)在所用的PLA，即使是新買的材料，在包裝上也找不到任何有關(guān)于PLA的信息，包括分子量的大小，粘度區(qū)間，以及熔融溫度和分解溫度等。對(duì)所有打印材料最基本的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)就是進(jìn)行打印試驗(yàn)，看是否可以順利出絲以及制品的穩(wěn)定性是否可以得到保證。所以現(xiàn)有的評(píng)價(jià)唯一方法就是對(duì)材料進(jìn)行打印試驗(yàn)。
[0005]從聚合物的流變?nèi)廴谛袨閬砜?，每種聚合物材料的粘彈行為都是有著自個(gè)特點(diǎn)的。在某個(gè)溫度的區(qū)間內(nèi)，均會(huì)有一個(gè)粘度值與之相對(duì)應(yīng)。這樣通過溫度掃描的流變?cè)囼?yàn)可以測(cè)出溫度和粘度的變化區(qū)間。從現(xiàn)有的可打印材料出發(fā)，找出一個(gè)打印的區(qū)間范圍。在確定了一個(gè)打印區(qū)間后，只需對(duì)每種材料的溫度和粘度區(qū)間進(jìn)行判別就可以很方便的去評(píng)價(jià)材料的打印性。此方法可操作性強(qiáng)，具有普遍的適用性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為克服現(xiàn)有聚合物材料規(guī)范性的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種可以量化的簡易模型，設(shè)計(jì)一種FDM 3D打印材料適用性評(píng)價(jià)方法。是一種容易實(shí)現(xiàn)，操作簡便的判別聚合物材料是否適合3D打印的評(píng)價(jià)方法。同時(shí)為現(xiàn)有的可打印材料的溫度和粘度區(qū)間提供參考。
[0007]本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:
一種FDM 3D打印材料打印適用性評(píng)價(jià)方法，其特征在于按照下述步驟進(jìn)行:
(I )，該適用性評(píng)價(jià)方法由溫度、粘度兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，升溫、降溫兩個(gè)評(píng)價(jià)過程構(gòu)成評(píng)價(jià)總體框架。
[0008](2)，在特定的剪切速率下利用旋轉(zhuǎn)流變儀對(duì)現(xiàn)有的可打印材料進(jìn)行升溫和降溫的流變測(cè)試，模擬打印過程中的擠出和凝固過程。
[0009](3)，由(2)中的旋轉(zhuǎn)流變測(cè)試得出的溫度一粘度特性曲線構(gòu)成一個(gè)總體框架，作為打印材料適用性的評(píng)價(jià)方法。
[0010](4)，框架模型如下所示:框架模型如圖1所示，在圖1所述的框架中，是根據(jù)打印材料的溫度和粘度變化而構(gòu)建的。因?yàn)閷?duì)于可打印材料來說在打印過程中當(dāng)溫度過低時(shí)，會(huì)造成堵絲的現(xiàn)象，而溫度過高時(shí)則容易使得材料制品不穩(wěn)定。與此同時(shí)對(duì)于材料的粘度而言也是一樣，當(dāng)粘度過高時(shí)，會(huì)使得材料容易堵絲，粘度過低時(shí)，則會(huì)使制品穩(wěn)定性下降。由此可見，每一種材料都會(huì)有一個(gè)可打印的溫度區(qū)間和粘度區(qū)間。
[0011](6)，根據(jù)步驟(5)框架模型，對(duì)于打印機(jī)可以設(shè)定這樣一個(gè)框架，這樣在了解每一種材料的特性后，只需要判斷材料的溫度和粘度特性是否在這個(gè)曲線內(nèi)就可判別其是否可作用于這種機(jī)器。
[0012]與已有的評(píng)價(jià)方法相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
1，本發(fā)明基于3D打印的基本原理，將打印過程簡化，形成一個(gè)框架模型，對(duì)FDM 3D打印材料具有適用性；
2，該發(fā)明方法簡便，直觀，高效，可操作性強(qiáng)；
3，該發(fā)明構(gòu)建了打印材料溫度粘度變化的范圍，使得每一種材料都可以通過最簡便的方式來判別打印的可行性。
[0013]以下通過具體實(shí)踐方式，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的框架模型；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例1得到的旋轉(zhuǎn)流變?cè)囼?yàn)結(jié)果圖；
圖3為本發(fā)明對(duì)比例2得到的旋轉(zhuǎn)流變?cè)囼?yàn)結(jié)果圖；
圖4為本發(fā)明對(duì)比例3得到的旋轉(zhuǎn)流變?cè)囼?yàn)結(jié)果圖；
圖5為本發(fā)明對(duì)比例4得到的旋轉(zhuǎn)流變?cè)囼?yàn)結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]本發(fā)明所述的適用于FDM 3D打印材料的評(píng)價(jià)方法，其包括以下幾個(gè)方面:
(I )，該適用性評(píng)價(jià)方法由溫度、粘度兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，升溫、降溫兩個(gè)評(píng)價(jià)過程構(gòu)成評(píng)價(jià)總體框架。
(2)，在特定的剪切速率下，利用旋轉(zhuǎn)流變儀對(duì)現(xiàn)有的可打印材料進(jìn)行升溫和降溫的流變測(cè)試，模擬打印過程中的擠出和凝固過程；
(3)，在特定的剪切速率下，對(duì)打印材料進(jìn)行升溫(50-2200C，100C/min)旋轉(zhuǎn)流變測(cè)試，模擬打印過程中的擠出過程得到升溫的溫度一粘度特性曲線； (4)，在特定的剪切速率下，對(duì)打印材料進(jìn)行降溫(220-500C，100C/min)旋轉(zhuǎn)流變測(cè)試，模擬打印過程中的凝固過程得到降溫的溫度一粘度特性曲線；
(5)，將旋轉(zhuǎn)流變測(cè)試中的升溫和降溫的溫度一粘度特性曲線構(gòu)成一個(gè)框架區(qū)間，使之形成一個(gè)對(duì)3D打印材料具有普適性的評(píng)價(jià)方法；
(6)，框架模型如圖1所示，在圖1所述的框架中，是根據(jù)打印材料的溫度和粘度變化而構(gòu)建的。因?yàn)閷?duì)于可打印材料來說在打印過程中當(dāng)溫度過低時(shí)，會(huì)造成堵絲的現(xiàn)象，而溫度過高時(shí)則容易使得材料制品不穩(wěn)定。與此同時(shí)對(duì)于材料的粘度而言也是一樣，當(dāng)粘度過高時(shí)，會(huì)使得材料容易堵絲，粘度過低時(shí)，則會(huì)使制品穩(wěn)定性下降。由此可見，每一種材料都會(huì)有一個(gè)可打印的溫度區(qū)間和粘度區(qū)間。
[0016](7)，根據(jù)步驟(6)框架模型，對(duì)于打印機(jī)可以設(shè)定這樣一個(gè)框架，這樣在了解每一種材料的特性后，只需要判斷材料的溫度和粘度特性是否在這個(gè)區(qū)間內(nèi)就可以判別其是否可作用于這種機(jī)器。
[0017]舉例說明:
實(shí)施例1
材料:PLA 01 (河南圣易通信科技有限公司，白色)，旋轉(zhuǎn)流變儀采用PLA (河南圣易通信科技有限公司，白色)作為可打印材料，先用平板硫化機(jī)壓片將其制備成Imm的片材，然后在剪切速率為20S 1時(shí)，對(duì)其進(jìn)行升溫速率為10°C /min，溫度區(qū)間為50-220°C和降溫速率為10°C /min,降溫區(qū)間為220_50°C的旋轉(zhuǎn)流變?cè)囼?yàn)。得到的結(jié)果如圖2。
[0018]對(duì)比例2
材料:PLA 02 (東莞寶奕塑膠制品有限公司，白色)，旋轉(zhuǎn)流變儀采用PLA 02 (東莞寶奕塑膠制品有限公司，白色)作為可打印材料，用平板硫化機(jī)壓片制備為Imm的片材，然后在剪切速率為20S 1時(shí)，對(duì)其進(jìn)行升溫速率為10°C /min，溫度區(qū)間為50-220°C和降溫速率為10°C /min,降溫區(qū)間為220_50°C的旋轉(zhuǎn)流變?cè)囼?yàn)。得到的結(jié)果如圖3。
[0019]對(duì)比例3
材料:PLA 03 (河南圣易通信科技有限公司，橙色)，旋轉(zhuǎn)流變儀采用國產(chǎn)PLA 03 (河南圣易通信科技有限公司，橙色)作為具備可打印性材料，用平板硫化機(jī)壓片制備為Imm的片材，然后在剪切速率為20S 1時(shí)，對(duì)其進(jìn)行升溫速率為10°C /min，溫度區(qū)間為50-220°C和降溫速率為10°C /min,降溫區(qū)間為220-50°C的旋轉(zhuǎn)流變?cè)囼?yàn)。得到的結(jié)果如圖4。
[0020]對(duì)比例4
材料:PLA 04 (牌號(hào)為4032D)，旋轉(zhuǎn)流變儀
采用PLA 04 (牌號(hào)為4032D)作為不可打印材料進(jìn)行打印試驗(yàn)，先用平板硫化機(jī)壓片制備為Imm的片材，然后在剪切速率為20S 1時(shí)，對(duì)其進(jìn)行升溫速率為10°C /min，溫度區(qū)間為50-220°C和降溫速率為10°C /min,降溫區(qū)間為220-50°C的旋轉(zhuǎn)流變?cè)囼?yàn)。得到的結(jié)果如圖5。
[0021]從上圖中可以看出，對(duì)于可打印材料PLA 01和PLA 02均較好的符合區(qū)間范圍，對(duì)于PLA 03，我們不難看出溫度一粘度特性曲線也形成了一個(gè)框架，只是與前面的可打印性材料PLA Ol相比，框架區(qū)間不能很好的重合，但是對(duì)其進(jìn)行降溫處理時(shí)則具有較好的重合性。這也從側(cè)面驗(yàn)證了 PLA 03具備可打印性能。而對(duì)于不可打印的PLA 04則明顯的可以看出溫度一粘度特性曲線與框架模型不相重合。綜上所述這種評(píng)價(jià)材料的可打印性方法具有一定的普適性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種熔絲沉積成型三維打印材料打印適用性評(píng)價(jià)方法，其特征在于按照下述步驟進(jìn)行: (1)該適用性評(píng)價(jià)方法由溫度、粘度兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，升溫、降溫兩個(gè)評(píng)價(jià)過程構(gòu)成評(píng)價(jià)總體框架； (2)在特定的剪切速率下利用旋轉(zhuǎn)流變儀對(duì)現(xiàn)有的可打印材料進(jìn)行升溫和降溫的流變測(cè)試，模擬打印過程中的擠出和凝固過程； (3 )由(2 )中的旋轉(zhuǎn)流變測(cè)試得出的溫度一粘度特性曲線構(gòu)成一個(gè)總體框架，作為打印材料適用性的評(píng)價(jià)方法； (4)框架模型如下所示:框架模型如圖1所示，在圖1所述的框架中，是根據(jù)打印材料的溫度和粘度變化而構(gòu)建的； 因?yàn)閷?duì)于可打印材料來說在打印過程中當(dāng)溫度過低時(shí)，會(huì)造成堵絲的現(xiàn)象，而溫度過高時(shí)則容易使得材料制品不穩(wěn)定； 與此同時(shí)對(duì)于材料的粘度而言也是一樣，當(dāng)粘度過高時(shí)，會(huì)使得材料容易堵絲，粘度過低時(shí)，則會(huì)使制品穩(wěn)定性下降； 由此可見，每一種材料都會(huì)有一個(gè)可打印的溫度區(qū)間和粘度區(qū)間； (6)根據(jù)步驟(5)框架模型，對(duì)于打印機(jī)可以設(shè)定這樣一個(gè)框架，這樣在了解每一種材料的特性后，只需要判斷材料的溫度和粘度特性是否在這個(gè)曲線內(nèi)就可判別其是否可作用于這種機(jī)器。
【專利摘要】本發(fā)明一種熔絲沉積成型三維打印材料打印適用性評(píng)價(jià)方法，屬于熔絲沉積成型三維打印材料領(lǐng)域。本方法對(duì)FDM？3D打印材料的適用性進(jìn)行系統(tǒng)化量化，采用特定剪切下材料粘度和溫度構(gòu)成的框架模型，對(duì)打印特性曲線進(jìn)行限定，使得打印材料只需通過曲線判別就可以知道其是否可用于FDM？3D打印應(yīng)用。該方法簡潔明了，容易操作，可直觀性判斷FDM？3D打印材料的適用性。
【IPC分類】B29C67/00, B33Y40/00
【公開號(hào)】CN105150540
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510623604
【發(fā)明人】李錦春, 陶慶忠, 張鑫, 陳群, 何明陽
【申請(qǐng)人】常州大學(xué)
【公開日】2015年12月16日
【申請(qǐng)日】2015年9月28日