[发明专利]一种增强FDM3D打印制件力学性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种增强FDM 3D打印制件力学性能的方法，属于快速成型材料领域。

背景技术

快速成型(Rapid Prototype,RP)技术是20世纪90年代迅速发展起来的一种先进制造技术，是服务于制造业新产品开发的一种关键技术。它对促进企业的产品创新、缩短新产品研发周期、提高产品竞争力等起着积极的推动作用。该技术自问世以来，逐渐在世界各国的制造业中得到了广泛的应用，并由此催生出一个新兴的技术领域。3D打印技术作为一种新兴的快速成型技术，主要被应用于产品原型、模具制造以及艺术创作、珠宝制作等领域，用于替代这些领域的一些传统的精加工工艺。另外，3D打印技术也逐渐应用于医学、生物工程、建筑、服装等领域，为创新开拓了广阔的空间。目前，3D打印成型方式主要包括熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)、选择性激光烧结成型 (Selective Laser Sintering，SLS)、光固化成型(stereo lithography apparatus， SLA)、分层实体成型(Laminated Object Manufacturing，LOM)等技术，其中 FDM发展最快。

FDM是指丝状热塑性材料由送丝机构送进喷头，在喷头中加热到熔融态，经喷嘴挤出。熔融态的丝状材料被挤压出来，按照三维软件的分层数据控制的路径挤压并在指定的位置凝固成型，逐层沉积凝固，最后形成整个三维产品。 FDM的操作环境干净、安全，工艺简单、易于操作，且不产生垃圾，因此大大拓宽了操作场合。其所用原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。但是现阶段FDM成型方式存在本质上的缺陷。当物料从高温喷头挤出后仅依靠自身重力沉积在已冷却的下层物料上，同时迅速被冷却产生一定的收缩，造成层与层之间的空隙较大，层间结合强度小，最终使得制件整体性能差，因此目前FDM应用范围被大大限制，主要集中在工艺品和手办等行业。

目前研究人员主要从打印参数和材料设计两方面对这个问题进行探索和研究，前者通过调整打印头的行走路径、沉积线条的宽度、每层高度和填充度等打印参数来改善，而后者通过向基体中添加短纤维、晶须和刚性粉末等实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种增强FDM 3D打印制件力学性能的方法，给如何提升FDM 3D打印制件的力学性能提供了一种新的思路。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种增强FDM 3D打印制件力学性能的方法，其特征在于：制备3D打印线材时，向高分子基体中添加热膨胀微球，通过后期对3D打印制件进行加热使得微球轻微膨胀，推动基体移动，从而减小制件内部沉积线条之间的空隙，提升力学性能；

所述高分子基体的熔点应低于热膨胀微球的起始膨胀温度，以确保在制备3D打印线材时微球不膨胀。

所述热膨胀微球的外壳是高分子聚合物，内部是碳氢化合物，在受热情况下，外壳软化，碳氢化合物由液态气化，从而使外壳膨胀增大。

与现有方法相比，本发明取得的有益效果是：1)适用范围广，工艺简单，原料成本低廉，易于批量化操作；2)通过调节加热温度和加热时间，膨胀程度可控。基于上述优点，本发明描述的方法为增强FDM 3D打印制件力学性能开辟了一种新的思路。

附图说明

下面结合附图对发明作进一步的说明：

图1为热膨胀微球的工作原理图；

图2为未添加热膨胀高分子微球时FDM 3D打印制件的截面SEM图；

图3为添加2％热膨胀高分子微球时FDM 3D打印制件的截面SEM图；

图4为添加2％热膨胀高分子微球时FDM 3D打印制件在140℃下加热120s 的截面SEM图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明内容进行详细说明：

为让本发明的上述特征和优点更明显易懂，下文举实施例，并配合附图作详细说明。

采用改性聚乙烯蜡作为基体，其熔融指数为19g/10min，熔点约95℃；采用 AkzoNobel Expancel 930DU120热膨胀微球，其起始膨胀温度为120℃。将2％膨胀微球加入基体中，混合均匀，通过双螺杆共混制备FDM 3D打印线材，线材直径约1.75mm。

将制备的线材放入FDM 3D打印机进行打印，打印参数：喷嘴温度100℃，喷嘴直径0.5mm，每层高度0.2mm，填充度100％。