一种基于水基无机粘结剂的粉末3d打印方法
【专利摘要】一种基于水基无机粘结剂的粉末3D打印方法，先采用去离子水为粘结剂溶剂，加入氯化物盐作为粘结剂组分，添加助挥发剂、着色剂、改性剂，混合形成的无机盐水溶液作为粉末3D打印机的粘结剂；再采用与所用氯化物相对应的无机盐氧化物粉末作为反应材料，与3D打印机原料粉末进行混合，再加入助熔剂形成的混合粉末作为粉末3D打印的材料；然后将粘结剂与混合粉末进行粉末3D打印，本发明实现具有复杂结构制品的粉末3D打印快速制造，也保证了制造过程的环保性，降低了生产成本，提高了产品质量。
【专利说明】一种基于水基无机粘结剂的粉末3D打印方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及粉末3D打印【技术领域】，具体涉及一种基于水基无机粘结剂的粉末3D 打印方法。
【背景技术】
[0002] 粉末3D打印（3DP)是一种利用微滴喷射、粉末粘结技术的3D打印方法。喷头在 计算机控制下，按照当前分层截面的信息，在事先铺好的一层粉末材料上，有选择性地喷射 粘结剂，使部分粉末粘结，形成一层截面薄层；一层成形完后，工作台下降一个层厚，进行下 一层的铺粉，继而选区喷射粘结剂，成形薄层同时也会与已成形零件粘为一体；不断循环此 过程，直至零件加工完为止；通常所成形的零件还需要一定的后处理，如干燥、烧结等，从而 得到最后的零件。
[0003] 在粉末3D打印工艺过程中，一般要求用于打印头喷射的粘结剂其性能稳定、能长 期储存、对喷头无腐蚀作用、粘度低以及表面张力适宜等。通常，可以采用的液体粘结剂能 够分为这三种类型：一、本身既不与粉末反应也不起粘结作用的液体，如氯仿、乙醇等，它们 只起到为粉末相互结合提供介质的作用，其本身在模具制作完毕之后会挥发到几乎不剩下 任何物质，对于本身就可以通过自反应硬化的粉末适用；二、本身会与粉末反应的液体及本 身有部分粘结作用的液体，如目前较为常用的有机粘结剂，它们通过液体浸润并连接粉末， 然后部分液体挥发，剩下的具有粘结作用的粘结剂会将粉末相互结合，其中，可添加的粘结 组分包括缩丁醛树脂、聚氯乙烯、聚碳硅烷、聚乙烯吡咯烷酮以及一些其他高分子树脂等； 三、粘结剂本身可以与粉末之间能反应的，如以氧化铝为主要成分的粉末，可通过酸性粘结 剂的喷射反应固化，通常对于金属粉末，常常是在粘结剂中加入一些金属盐来诱发其反应。
[0004] 然而，正如以上内容所述，传统粉末3D打印工艺多采用有机粘结剂体系，而这种 粘结剂体系主要存在以下两个方面的缺点：
[0005] 1)有机物粘结剂稳定性不好，在受到外界影响后，容易变质，不以存储，同时，有机 粘结剂也容易腐蚀粘结剂的输送管道和打印喷头，容易造成喷头的堵塞；
[0006] 2)粉末3D打印所得到的零件通常需要进行脱脂、煅烧等后处理，但是，由于传统 的有机物粘结剂在高温中性能不稳定，容易分解，达不到粘结效果，并可能释放有毒气体， 使粉末3D打印制造出来的零件在脱脂、煅烧后，难以获得较高的致密度及强度。
【发明内容】
[0007] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于水基无机粘结剂 的粉末3D打印方法，保证了制造过程的环保性，降低了生产成本，提高了产品质量。
[0008] 为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
[0009] -种基于水基无机粘结剂的粉末3D打印方法，包括以下步骤：
[0010] 1)采用35-50份去离子水为粘结剂溶剂，加入50-65份氯化物盐作为粘结剂组分， 添加0-50份助挥发剂提高粘结剂的干燥速度，添加0-5份着色剂进行粘结剂的着色，加入 0-5份改性剂进行粘结剂的改性，混合形成的无机盐水溶液作为粉末3D打印机的粘结剂， 将这种无机盐水溶液作为粘结剂粘结反应的第一个反应物；
[0011] 2)采用与步骤1)所用氯化物相对应的无机盐氧化物粉末作为反应材料，即采用 15-30份氧化镁（MgO)或是15-30份氧化锌（ZnO)作为第二反应物，第二反应物与70-85份 3D打印机原料粉末进行混合，再加入0-10份助熔剂进行粉末性能的调节，以上所形成的混 合粉末作为粉末3D打印的材料；
[0012] 3)采用20-40份步骤1)配制的粘结剂与60-80份步骤2)制备的混合粉末进行粉 末3D打印，打印完成后保存打印零件在粉末3D打印机内部进行自然干燥，或者送入到热干 燥箱或微波干燥箱中进行干燥；干燥完成后，去除未粘结粉末，直接获得无机粘结剂粘结陶 瓷零件；
[0013] 4)根据材料组成需要，进行高温烧结，获得高强度零件；
[0014] 所述份数为质量份数。
[0015] 所述氯化物盐是氯化镁^8(：12)或氯化锌（211(：1 2)的浓度为5(%?70(%水溶液。
[0016] 所述的助挥发剂为酒精、丙酮或甲醇。
[0017] 所述的着色剂为有机墨水或无机墨水。
[0018] 所述的改性剂为增稠剂、表面改性剂或分散剂。
[0019] 所述的原料粉末为陶瓷、硅藻土、砂或石膏的粉末。
[0020] 所述的助熔剂为氧化钙（CaO)、氧化钾（K20)、氧化钠（Na20)、氧化铅（PbO)或氧化 硼（B 203)。
[0021] 本发明的优点是采用氯化物溶液与对应氧化物粉末形成的水基无机粘结剂体系 作为粉末3D打印工艺的粘结剂，这种粘结剂体系相对于有机物粘结剂的不稳定性而言，其 性能稳定、更易于保存；同时，基于水基的无机粘结剂，其粘度低，不易堵塞喷头，对喷头无 腐蚀作用，可以获得更加适宜的表面张力，从而可以实现具有复杂结构制品的粉末3D打印 快速制造，也保证了制造过程的环保性，降低了生产成本，提高了产品质量。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合具体实施例对本发明做详细描述。
[0023] 实施例1
[0024] -种基于水基无机粘结剂的粉末3D打印方法，包括以下步骤：
[0025] 1)采用35份去离子水为粘结剂溶剂，加入64份氯化镁（MgCl2) 40%水溶液作为 粘结剂组分，添加1份酒精作为助挥发剂提高粘结剂的干燥速度，不添加着色剂进行粘结 剂的着色，也不添加改性剂进行粘结剂的改性，混合形成的无机盐水溶液作为粉末3D打印 机的粘结剂，将这种无机盐水溶液作为粘结剂粘结反应的第一个反应物；
[0026] 2)采用与步骤1)所用氯化物相对应的无机盐氧化物粉末作为反应材料，即采用 15份氧化镁（MgO)作为第二反应物，第二反应物与85份3D打印机的陶瓷粉末进行混合，不 添加助熔剂进行粉末性能的调节，以上所形成的混合粉末作为粉末3D打印的材料；
[0027] 3)采用40份步骤1)配制的粘结剂与60份步骤2)制备的混合粉末进行粉末3D 打印，打印完成后保存打印零件在粉末3D打印机内部进行自然干燥，或者送入到热干燥箱 或微波干燥箱中进行干燥；干燥完成后，去除未粘结粉末，可直接获得无机粘结剂粘结陶瓷 零件；
[0028] 4)根据材料组成需要，进行高温烧结，获得高强度零件，所述份数为质量份数。
[0029] 采用实施例1方案得到的液体粘结剂溶液，在室温下，其粘度〈2 X l(T3Pa · s，粘度 较低，氯化镁与其相对应的无机盐氧化镁形成的粘结剂粘结强度>〇. 8MPa，粘结效果好，可 以很好地满足粉末彩色3D打印要求。
[0030] 实施例2
[0031] 一种基于水基无机粘结剂的粉末3D打印方法，包括以下步骤：
[0032] 1)采用35份去离子水为粘结剂溶剂，加入64份氯化锌（ZnCl2) 40%水溶液作为 粘结剂组分，添加1份酒精作为助挥发剂提高粘结剂的干燥速度，不添加着色剂进行粘结 剂的着色，也不添加改性剂进行粘结剂的改性，混合形成的无机盐水溶液作为粉末3D打印 机的粘结剂，将这种无机盐水溶液作为粘结剂粘结反应的第一个反应物；
[0033] 2)采用与步骤1)所用氯化物相对应的无机盐氧化物粉末作为反应材料，即采用 30份氧化锌（ZnO)作为第二反应物，第二反应物与70份3D打印机的硅藻土粉末进行混合， 不添加助熔剂进行粉末性能的调节，以上所形成的混合粉末作为粉末3D打印的材料；
[0034] 3)采用40份步骤1)配制的粘结剂与60份步骤2)制备的混合粉末进行粉末3D 打印，打印完成后保存打印零件在粉末3D打印机内部进行自然干燥，或者送入到热干燥箱 或微波干燥箱中进行干燥；干燥完成后，去除未粘结粉末，可直接获得无机粘结剂粘结陶瓷 零件；
[0035] 4)根据材料组成需要，进行高温烧结，获得高强度零件，所述份数为质量份数。
[0036] 采用实施例2方案得到的液体粘结剂溶液，在室温下，其粘度〈2 X l(T3Pa · s，粘度 较低，氯化锌与其相对应的无机盐氧化锌形成的粘结剂粘结强度>〇. 8MPa，粘结效果好，可 以很好地满足粉末彩色3D打印要求。
[0037] 实施例3
[0038] -种基于水基无机粘结剂的粉末3D打印方法，包括以下步骤：
[0039] 1)采用45份去离子水为粘结剂溶剂，加入50份氯化锌（ZnCl2) 40%水溶液作为 粘结剂组分，添加1份酒精作为助挥发剂提高粘结剂的干燥速度，添加3份无机墨水作为着 色剂进行粘结剂的着色，添加1份增稠剂作为改性剂进行粘结剂的改性，混合形成的无机 盐水溶液作为粉末3D打印机的粘结剂，将这种无机盐水溶液作为粘结剂粘结反应的第一 个反应物；
[0040] 2)采用与步骤1)所用氯化物相对应的无机盐氧化物粉末作为反应材料，即采用 30份氧化锌（ZnO)作为第二反应物，第二反应物与65份3D打印机的砂粉末进行混合，添加 5份氧化钙（CaO)作为助熔剂进行粉末性能的调节，以上所形成的混合粉末作为粉末3D打 印的材料；
[0041] 3)采用40份步骤1)配制的粘结剂与60份步骤2)制备的混合粉末进行粉末3D 打印，打印完成后保存打印零件在粉末3D打印机内部进行自然干燥，或者送入到热干燥箱 或微波干燥箱中进行干燥；干燥完成后，去除未粘结粉末，可直接获得无机粘结剂粘结陶瓷 零件；
[0042] 4)根据材料组成需要，进行高温烧结，获得高强度零件，所述份数为质量份数。
[0043] 采用实施例3方案得到的液体粘结剂溶液，在室温下，其粘度〈1. 5 X l(T3Pa · s，粘 度近乎于纯水；氯化锌与其相对应的无机盐氧化锌形成的粘结剂粘结强度>0. 5MPa，粘结 效果较好；加入了着色剂，增加了颜色，可以实现粉末彩色3D打印；加入助挥发剂，挥发效 果较好，增加了粘结效果；加入了助熔剂，可以降低零件在后处理高温烧结的温度，可以很 好地满足粉末彩色3D打印要求。
【权利要求】
1. 一种基于水基无机粘结剂的粉末3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 采用35-50份去离子水为粘结剂溶剂，加入50-65份氯化物盐作为粘结剂组分，添加 0-50份助挥发剂提高粘结剂的干燥速度，添加0-5份着色剂进行粘结剂的着色，加入0-5份 改性剂进行粘结剂的改性，混合形成的无机盐水溶液作为粉末3D打印机的粘结剂，将这种 无机盐水溶液作为粘结剂粘结反应的第一个反应物； 2) 采用与步骤1)所用氯化物相对应的无机盐氧化物粉末作为反应材料，即采用15-30 份氧化镁（MgO)或是15-30份氧化锌（ZnO)作为第二反应物，第二反应物与70-85份3D打 印机原料粉末进行混合，再加入〇-1〇份助熔剂进行粉末性能的调节，以上所形成的混合粉 末作为粉末3D打印的材料； 3) 采用20-40份步骤1)配制的粘结剂与60-80份步骤2)制备的混合粉末进行粉末 3D打印，打印完成后保存打印零件在粉末3D打印机内部进行自然干燥，或者送入到热干燥 箱或微波干燥箱中进行干燥；干燥完成后，去除未粘结粉末，直接获得无机粘结剂粘结陶瓷 零件； 4) 根据材料组成需要，进行高温烧结，获得高强度零件； 所述份数为质量份数。
2. 根据权利要求1所述的一种基于水基无机粘结剂的粉末3D打印方法，其特征在于： 所述氯化物盐是氯化镁（MgCl2)或氯化锌（ZnCl 2)的浓度为5%?70%水溶液。
3. 根据权利要求1所述的一种基于水基无机粘结剂的粉末3D打印方法，其特征在于： 所述的助挥发剂为酒精、丙酮或甲醇。
4. 根据权利要求1所述的一种基于水基无机粘结剂的粉末3D打印方法，其特征在于： 所述的着色剂为有机墨水或无机墨水。
5. 根据权利要求1所述的一种基于水基无机粘结剂的粉末3D打印方法，其特征在于： 所述的改性剂为增稠剂、表面改性剂或分散剂。
6. 根据权利要求1所述的一种基于水基无机粘结剂的粉末3D打印方法，其特征在于： 所述的原料粉末为陶瓷、硅藻土、砂或石膏的粉末。
7. 根据权利要求1所述的一种基于水基无机粘结剂的粉末3D打印方法，其特征在于： 所述的助熔剂为氧化钙（CaO)、氧化钾（K 20)、氧化钠（Na20)、氧化铅（PbO)或氧化硼（B203)。
【文档编号】C04B14/08GK104150915SQ201410384306
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】田小永, 杨春成, 李涤尘 申请人:西安交通大学