3d打印石膏油墨及其制备方法
【技术领域】
[000? ]本发明属于3D打印材料技术领域，涉及一种3D打印用石膏材料，本发明还涉及该石膏材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]3D打印(3DPrinting)技术，也被称为增材制造技术，一种在三维数字模型的基础上，用粉末状金属或者塑料等可黏合材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术，体现了信息网络技术与先进材料技术、数字制造技术的密切结合。3D打印技术具有广阔发展前景的快速制造技术，不仅被誉为制造业的一场革命，也被认为是“第三次工业革命的重要标士々—，，
[0003]经过多年的发展，我国3D打印技术与世界先进水平基本同步，在高性能复杂大型金属承力构件增材制造等部分技术领域已达到国际先进水平，成功研制出光固化立体造型术(SLA)，电子束熔融成型(ΕΒΜ)，熔融沉积成形(FDM)，激光选区烧结(SLS)，三维印刷(3DP)等。3D打印技术及产品已经初步开始应用在航空航天和生物医疗，文化创意和教育，汽车等领域。随着生物3D打印技术的发展，在医学领域的应用逐渐广泛，可打印的生物材料种类繁多，其中包括无机材料、生物医用高分子材料、水凝胶的材料、活细胞。活细胞的打印其好处在于细胞损伤率很低，细胞存活率很高。打印特点包括精确度高，空间大，集成度好，操作简便等。
[0004]3D打印技术相比于传统的生产制造业，它具有如下一些不可比拟的优势:第一，3D打印技术可以提高产品的研发水平和设计能力。传统的工业产品往往需要先开磨具，然后才能做出样品。而应用3D打印技术，不需要开磨具，这就可以大大降低产品的制作时间和成本。并且无论多么复杂的工艺产品，均可通过3D打印技术短时间内制造出来，从而提高了产品设计的创新能力;第二，3D打印可以一体化成型。传统工业生产都是建立在组装线基础之上，需要工人将生产出来的零部件进行拼装。而通过3D打印技术生产出来的产品都是一体化成型，无需组装，减少了组装所耗费的时间和成本;第三，它可以减少废弃的副产品。传统的加工浪费了大量的原材料，而3D打印可以减少对材料的浪费，并且随着打印材料的进步，使得3D打印向着“净成型”方向发展;第四，操作简单方便。培养一名合格的生产技术人员需要好几年的时间，而3D打印机所需要的技能却简单很多，不需要进行专门的培训，并且能够在远程和极端的环境下进行生产;第五，精确的制造技术。3D打印可以精确的定位材料，创建出更细致优化的实体。发展3D打印产业对我国具有重要战略意义，它不仅可以提高我国工业领域的研发水平，有助于攻克技术难关，还能够促成新的经济增长点，推动我国由“工业大国”向“工业强国”的转变。
[0005]3D打印技术本身并无神秘之处，说到底就是一个材料堆积叠加的过程，但想找到符合此项技术特点的材料却是个难点。普通打印机所需要的材料只是墨水和纸张，但3D打印机的耗材却主要是胶状物或粉状物，而且还需要经过特殊的处理，并且对材料的固化反应速度也有很高的要求。如现有3D打印技术多使用ABS、人造橡胶、塑料、沙子、铸蜡和聚酯热塑性塑料等材料，这些材料多为粉末或者黏稠的液体，而这主要是由3D打印的固化方式所决定的。
[0006]从某种程度上说，3D打印技术发展的核心不在于打印，而是在于材料。只有新材料技术发展了，3D打印技术才能进一步实用化，打印出真正实用的物品，否则离现实还是很遥远。目前，我国具备生产3D打印材料能力的企业较少，大部分3D打印材料依赖进口，特别是金属粉末材料严重受制于他国。这是因为3D打印对金属材料的要求较高，而我国制造满足这些要求的金属材料技术还不过关。此外，与美国、德国等3D打印材料技术比较成熟的国家相比，我国3D打印材料质量不稳定、品种较为单一，部分研发的实验材料也依赖进口。除此之外，材料成本高昂。3D打印材料制造成本高是目前存在的普遍问题。由于3D打印材料种类有限、材料专用性较强、下游应用市场还没有完全培育起来，所以现阶段3D打印材料无法实现规模化生产，生产成本居高不下。
[0007]与其他快速成型技术相比，石膏材料是一种绿色环保的无机胶凝材料，凝结时间迅速可控，完全可以作为3D打印等增材制造技术的原材料。不但大大降低模型制造的生产成本，通过采用合适的后处理方式，还可使成型件强度高、不易变形，可以在某些场合替代现有的塑料和树脂模型，作为概念原型、功能测试原型、模具和实体零件使用，而且与其他类型的材料相比，石膏不受生产厂家的限制，产量大且价格相对便宜。
[0008]现有3D打印材料所用的石膏材料不仅强度低、流动性差，其颗粒也比较大，只能用于以表观观察为主要用途的模型的制作而无法制造具有一定功能性和精细的石膏制品。此外，即使用于制作观赏模型，由于石膏颗粒粗大，导致模型的结构精度和表观质量不高。以上缺点就大大限制石膏材料在3D打印材料中的应用，也阻碍了具有优化设计的结构和优异性能的新型石膏制品的出现和发展。
[0009]粉末材料的成分和比例对三维打印成型的精度、强度、表面质量以及成型过程的可靠性有着重要的影响。粉末成分配方是一个多元系统，除了存在材料各成分配方对制件性能的主要效应之外，还存在各个因素之间交互效应的影响，粉末的配方是一个多因素、多水平问题。三维打印成型对粉末材料的要求为:(1)颗粒小，最好成球状，均匀，无明显团聚；
(2)粉末流动性好，使供粉系统不易堵塞，能铺成薄层；(3)在溶液喷射冲击时不产生凹陷、溅散和孔洞；(4)与粘结溶液作用后能很快固化。
[0010]影响粉末材料快速成型特性的因素包括粒度、粒度分布、颗粒形状、成分及比例、孔隙率、流动性、润湿性等。此外，由于粉末是由参差不齐的各种不同大小的颗粒所组成，而且形状各异，粉末颗粒的大小和在粉末颗粒群中所占的比例，即粉末的粒度和粒度分布直接影响着粉末的物理性能以及与液滴的作用过程。因此，需要分析粉末形状、粒度、粒度分布，粉末密度和化学成分等对三维打印成型的影响，以确定粉末材料的成分、粒度及分布和粉末孔隙率、流动性等参数。
[0011]选择无明显团聚，即无絮凝颗粒和凝聚体颗粒的粉末原料，并尽可能地选择球状的原级颗粒形状，对粉末进行干燥。使用分散剂等措施可以显著改善粉末的流变特性以及与液滴的相互作用。
[0012]粉末的粒度直接影响逐层成型的精度，粉末厚度应大于2倍以上的粉末颗粒直径，否则难以得到均匀密实的粉末平面，粉末粒度还影响液滴的润湿和毛细渗透。尺寸较大的粉末颗粒，表面比较小，在液滴的润湿过程中不易与其他颗粒渗透。尺寸较大的粉末颗粒，比表面积小，在液滴的润湿过程中不易与其他颗粒粘结:反之，粉末粒度越细则容易粘结成型，但若粒度过细，则容易形成絮凝颗粒，即粉末团聚，致使粉末不易铺成薄层，且粉末容易粘结到辑子表面上，影响成型精度。试剂使用的粉末并不是要求颗粒大小一致，可以是粉末粒度大小不一，按一定能够规则进行尺寸匹配。
[0013]粉末的密度直接影响制件的密度。粉末层中存在这大量的空隙，在粘结固化过程中，随着粉末的粘结固化，制件的密度发生变化。要想增加制件密度，必须提高粉末层的密度或提高单位面积内液滴喷射的总量。提高粉末密度的措施有改善粉末的粒度分布，如在大粒度粉末中加入较小粒度的粉末。
【发明内容】
[0014]本发明的目的是提供一种3D打印用石膏材料，解决了石膏材料用于3D打印材料中存在的强度低、流动性差、颗粒粗、韧性差以及成本高的问题，开发出一种具有工业潜能、速度高、精度好、使用成本低的经济型三维打印成形材料。
[0015]本发明所采用的