CN104760283A - 一种3d打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印方法，包括以下步骤：a.利用静电纺丝装置对高分子溶液进行静电纺丝，使静电纺丝产物在电场力的作用下向打印基底运动，按预定轮廓沉积到所述打印基底上的特定位置；b.在步骤a静电纺丝的过程中，对所述打印基底上的所述特定位置同步地照射激光，使得所述静电纺丝产物在所述特定位置沉积之前被加热熔化，以熔融状态在所述特定位置上沉积；c.按照步骤a和b的方式重复在所述预定轮廓上重复沉积多层所述静电纺丝产物，多层叠加后最终形成三维的高分子材料制件。还公开了相应的物件修复方法。使用本发明进行3D打印，可用打印材料范围广，打印质量和打印精细度高。

Description

一种3D打印方法

技术领域

本发明涉及一种3D打印方法。

背景技术

3D打印是逐层累积材料获得制件的一种制造技术。随着3D打印技术的不断发展，各种不同的成形方法也被逐渐开发出来。在诸多材料中，由于广泛的应用领域，高分子材料的3D打印备受瞩目。目前高分子材料的3D打印方法有熔融挤出成型FDM，立体光固化成形SLA，激光选择性烧结SLS等等。以上的几种成形方法均对塑胶材料的物理形态有较高要求。FDM需要将塑胶材料制成盘起的丝状才能使用，制程较为复杂；SLA仅限定于液态的光敏树脂成形，材料适用性窄；SLS则需要将塑胶制成具有一定性能要求的粉末状，材料价格比较昂贵。此外，以上几种成形方法在微小零件的制作上则较为困难。

静电纺丝是一种制备微纳纤维、颗粒(包括微米球、纳米球)的方法，其原理是将熔融状态的高分子材料或高分子材料的溶液通过毛细管流出，并在毛细管和成形基底之间施加高压电场，从毛细管流出的溶液在电场力的作用下形成射流向成形基底运动，在这个过程中溶剂不断挥发，射流收缩和固化，根据工艺条件的不同就会得到颗粒、微球、纤维状的静电纺丝产物。尽管已经出现一些利用静电纺丝技术进行3D打印的方法，然而，如何优化打印工艺，拓展打印材料适用范围，提高打印质量和打印精细度，是现有技术需要解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提供一种3D打印方法，增加打印材料适用范围，提高打印质量和打印精细度。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种3D打印方法，包括以下步骤：

a.利用静电纺丝装置对高分子溶液进行静电纺丝，使静电纺丝产物在电场力的作用下向打印基底运动，按预定轮廓沉积到所述打印基底上的特定位置；

b.在步骤a静电纺丝的过程中，对所述打印基底上的所述特定位置同步地照射激光，使得所述静电纺丝产物在所述特定位置沉积之前被加热熔化，以熔融状态在所述特定位置上沉积；

c.按照步骤a和b的方式重复在所述预定轮廓上重复沉积多层所述静电纺丝产物，多层叠加后最终形成三维的高分子材料制件。

进一步地：

在步骤a之前还包括以下步骤：待成形制件的三维模型进行离散分层，获得多层的轮廓信息，然后根据每一层的轮廓信息得到静电纺丝装置的喷头移动路径，以确定步骤a和c中的所述预定轮廓。

静电纺丝的电压范围为1-50千伏,所述静电纺丝产物从所述静电纺丝装置的喷头喷出到沉积到所述打印基底上之间经过的距离不超过50厘米。

激光的功率为2-30瓦。

沉积材料每层的层厚为0.01-0.5毫米。

静电纺丝时的环境温度控制在0-35摄氏度，环境相对湿度控制在5-50％。

所述高分子溶液中的高分子材料为聚乳酸、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、尼龙、聚氧化乙烯、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚碳酸酯、聚己内酯、聚谷氨酸、纤维素、聚酰亚胺中的任一种或多种，所用高分子溶液的溶剂为水、甲醇、乙醇、甲酸、二甲基甲酰胺、N,N-二甲基亚砜、四氢呋喃、丙酮中的任一种或多种。

一种物件修复方法，通过所述3D打印方法对物件缺损部位进行修复。

本发明提出了一种结合静电纺丝、激光技术的3D打印方法，采用高分子溶液作为材料源，通过静电纺丝技术形成高分子材料的颗粒喷射物，被激光同步加热熔化沉积到3D打印成形基底上，并冷却后就形成了3D制件的一部分。可先对待制作物件的三维模型进行离化分层，得到每一层的截面轮廓，经由计算机控制包含有静电纺丝装置的喷头按照每层的轮廓移动沉积材料，再进行逐层累积获得三维的制件。此方法材料适用性广、对材料的制备要求低，并且适用于微小零件的精密制作，多种常见的高分子材料都可以通过此方法进行3D打印，打印质量高。此方法除了可以从底层开始逐层叠加制造物件外，还可以拓展到对物件进行原位修复等功用。

附图说明

图1是本发明3D打印方法一种实施例的流程图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1，根据实施例的3D打印方法，可先将待成形的制件的三维模型进行离散分层，获得多层的轮廓信息，然后根据每一层的轮廓截面得到静电纺丝装置的喷头打印的移动路径。分层打印的轮廓信息也可以通过其他方式提供(例如由第三方提供)。配置高分子的溶液，打印过程中，利用静电纺丝装置对高分子溶液进行静电纺丝，得到高分子颗粒状(如不规则的微球形态)的产物。打印过程中，这些颗粒状的静电纺丝产物在电场力的作用下向成形基底运动，在基底上特定位置沉积之前被同步照射向该位置的激光加热熔化，以熔融状态沉积到此位置上，冷却之后构成高分子制件的一部分。，打印过程中，静电纺丝装置的喷头按照可由计算机控制按照每一层的预定截面轮廓移动并且沉积材料，在通过逐层打印并且叠加后最终形成三维的高分子材料制件。

优选地，静电纺丝的电压范围为1-50千伏。收集距离即静电纺丝产物从喷头喷出到沉积到基底上之间经过的距离为0.1-50厘米。

静电纺丝产物的形态为不规则的颗粒、微球、纳米球、带有短纤维的颗粒。所使用的高分子材料为聚乳酸、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、尼龙、聚氧化乙烯、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚碳酸酯、聚己内酯、聚谷氨酸、纤维素、聚酰亚胺，以及其它能够进行静电纺丝获得颗粒状产物的高分子材料。所用的高分子溶液的溶剂为水、甲醇、乙醇、甲酸、二甲基甲酰胺、N,N-二甲基亚砜、四氢呋喃、丙酮，以及其它能够溶解上述高分子材料的溶剂。

优选地，激光的功率为2-30瓦。分层的层厚为0.01-0.5毫米。

优选地，静电纺丝时的环境温度控制在0-35摄氏度，环境相对湿度控制在5-50％。

具体实施例中，可先将待成形的制件的三维模型进行离散分层，获得多层的轮廓信息，离散分层的每一层厚度可为0.01-0.5毫米。然后根据每一层的轮廓截面得到静电纺丝装置的喷头打印的移动路径。配置聚乳酸、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇等高分子材料的溶液，利用能够产生0-50千伏电压的静电纺丝装置对高分子溶液进行静电纺丝，得到高分子颗粒状(包括微球)的产物。这些颗粒状的静电纺丝产物在电场力的作用下向成形基底运动，在沉积到基底上特定位置之前被照射向该位置的功率为2-30瓦的激光加热熔化，以熔融状态沉积到此位置上，冷却之后构成高分子制件的一部分。收集距离即静电纺丝产物从喷头喷出到沉积到基底上之间经过的距离控制在0.1-50厘米。需要特别指出的是，上述的静电纺丝过程和激光加热熔化的过程是同步进行。喷头以上述方式按照计算机设定的程序沿着每一层的截面轮廓移动并且沉积材料，在通过逐层打印并且叠加后最终形成三维的高分子材料制件。此外，环境因素包括温度和湿度都对静电纺丝过程的稳定性以及静电纺丝产物的形成有着重要的影响作用，因此在3D打印过程中需要维持温度和湿度恒定。本发明中静电纺丝时的环境温度控制在0-35摄氏度，环境相对湿度控制在5-50％。当高分子溶液中含有挥发性较差的溶剂如N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜时，静电纺丝时的环境温度和环境相对湿度都优选较低的数值，可以采用温度控制装置和除湿装置达到上述目标；而收集距离优选较大的数值，这样可以促进溶剂的挥发，有利于颗粒状静电纺丝产物的形成。

实施例1

采用本发明提供的3D打印方法制造聚苯乙烯PS的制件。所使用的聚苯乙烯分子量为10000。采用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作为溶剂，配置成重量百分比32％的溶液进行静电纺丝。高压直流电源的电压设置为30千伏，收集距离为15厘米，环境温度设定为25摄氏度，环境相对湿度设置为30％。在上述的参数设置下静电纺丝的产物形态为微球，微球的直径在几个到几十个微米的范围。将所需要制作的制件的三维模型利用计算机进行离化分层，获得STL格式的轮廓数据。分层厚度设置为0.08毫米。这些微球状的PS静电纺丝产物在电场力的作用下向成形基底运动，在沉积到基底上特定位置之前被投射向该位置的功率为8瓦的激光加热熔化，以熔融状态沉积到此位置上，冷却之后构成PS制件的一部分。喷头以上述的方式打印材料，并在计算机控制下移动完成每一层的打印，通过逐层累积材料最终获得PS制件。

实施例2

采用本发明提供的3D打印方法制造聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的制件。所使用的聚苯乙烯分子量为100000。采用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作为溶剂，配置成重量百分比11％的溶液进行静电纺丝。高压直流电源的电压设置为20千伏，收集距离为22厘米，环境温度设定为22摄氏度，环境相对湿度设置为30％。在上述的参数设置下静电纺丝的产物形态为微球，微球的直径在几个到几十个微米的范围。分层厚度设置为0.05毫米。激光功率设置为7瓦。喷头在计算机控制下移动完成每一层的打印，并逐层累积材料最终获得PMMA制件。

实施例3

采用本发明提供的方法制造尼龙6(PA6)材质的制件。所使用的尼龙6的分子量为20000。采用甲酸作为溶剂，配置成重量百分比为6％的溶液进行静电纺丝。高压直流电源的电压设置为20千伏，收集距离为10厘米，环境温度设定为20摄氏度，环境相对湿度设置为35％。在上述的参数设置下静电纺丝的产物形态为带有短纤维的颗粒，颗粒的直径在几个到几十个微米的范围，纤维的直径在几十纳米的量级。分层厚度设置为0.08毫米。激光功率设置为10瓦。喷头逐层打印累积材料获得PMMA制件。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种3D打印方法，其特征在于,包括以下步骤：

a.利用静电纺丝装置对高分子溶液进行静电纺丝，使静电纺丝产物在电场力的作用下向打印基底运动，按预定轮廓沉积到所述打印基底上的特定位置；

b.在步骤a静电纺丝的过程中，对所述打印基底上的所述特定位置同步地照射激光，使得所述静电纺丝产物在所述特定位置沉积之前被加热熔化，以熔融状态在所述特定位置上沉积；

c.按照步骤a和b的方式重复在所述预定轮廓上重复沉积多层所述静电纺丝产物，多层叠加后最终形成三维的高分子材料制件。

2.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于,在步骤a之前还包括以下步骤：待成形制件的三维模型进行离散分层，获得多层的轮廓信息，然后根据每一层的轮廓信息得到静电纺丝装置的喷头移动路径，以确定步骤a和c中的所述预定轮廓。

3.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于,静电纺丝的电压范围为1-50千伏,所述静电纺丝产物从所述静电纺丝装置的喷头喷出到沉积到所述打印基底上之间经过的距离不超过50厘米。

4.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于,激光的功率为2-30瓦。

5.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于,沉积材料每层的层厚为0.01-0.5毫米。

6.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于,静电纺丝时的环境温度控制在0-35摄氏度，环境相对湿度控制在5-50％。

7.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于,所述高分子溶液中的高分子材料为聚乳酸、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、尼龙、聚氧化乙烯、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚碳酸酯、聚己内酯、聚谷氨酸、纤维素、聚酰亚胺中的任一种或多种，所用高分子溶液的溶剂为水、甲醇、乙醇、甲酸、二甲基甲酰胺、N,N-二甲基亚砜、四氢呋喃、丙酮中的任一种或多种。

8.一种物件修复方法，其特征在于,通过权利要求1-7任一项所述3D打印方法对物件缺损部位进行修复。