一种熔丝沉积成型三维打印材料打印适用性评价方法
【专利说明】
[0001]技术领域:
本发明涉及一种适用于FDM 3D打印的适用性评价方法，是一种针对性的判别3D打印原料适用性的评价方法。
[0002]【背景技术】:
恪丝沉积成形(FDM)三维打印技术最早由Stratasys公司于上世纪80年代末期推出，是采用热能加热热塑性材料，并从挤出头挤出熔融材料从而逐层堆积出原型件的一种工艺。虽然相比其他几种三维打印技术，FDM的打印精度、打印速度和制品性能都没有特别的优势，但是由于其拥有低成本、易操作、办公友好等众多优点，越来越多的人开始可以容易的接触到这种亲民的三维打印技术，这使得FDM成为了近年来发展最为迅速的三维打印技术。有调查报告显示，2014年FDM型三维打印机出货量稳居世界三维打印市场首位，大众认知度也最高。随着不同的FDM开源项目如3D打印机(Reprap)等硬件/软件支持，现在国内市场上活跃的熔丝沉积三维打印机生产厂家有数十家，机型包括各类企业自行优化结构和功能的产品和国外开源机构分享技术的产品，大众花费1000至数千人民币即可在各类网站上买到一台属于自己的FDM三维打印机。
[0003]熔丝沉积成型工艺对成型材料的要求主要有以下几点，第一:材料的熔融温度低，这样可以方便加热。第二:粘度低，粘接性好，这样使得材料的流动性好，阻力小，有利于顺利出丝。第三:收缩率小，因为收缩率会直接影响到最终成型制品的质量。目前可以用来制作丝材或线材的材料主要有石蜡，塑料，尼龙丝等低熔点材料和低熔点金属陶瓷等。现在市场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)这两种热塑性材料。
[0004]对于熔丝材料的质量等级划分至今没有一个特定的标准，一般都是根据实际的打印情况而定，比如我们现在所用的PLA，即使是新买的材料，在包装上也找不到任何有关于PLA的信息，包括分子量的大小，粘度区间，以及熔融温度和分解温度等。对所有打印材料最基本的评判标准就是进行打印试验，看是否可以顺利出丝以及制品的稳定性是否可以得到保证。所以现有的评价唯一方法就是对材料进行打印试验。
[0005]从聚合物的流变熔融行为来看，每种聚合物材料的粘弹行为都是有着自个特点的。在某个温度的区间内，均会有一个粘度值与之相对应。这样通过温度扫描的流变试验可以测出温度和粘度的变化区间。从现有的可打印材料出发，找出一个打印的区间范围。在确定了一个打印区间后，只需对每种材料的温度和粘度区间进行判别就可以很方便的去评价材料的打印性。此方法可操作性强，具有普遍的适用性。
【发明内容】
[0006]为克服现有聚合物材料规范性的不足，本发明的目的在于提供一种可以量化的简易模型，设计一种FDM 3D打印材料适用性评价方法。是一种容易实现，操作简便的判别聚合物材料是否适合3D打印的评价方法。同时为现有的可打印材料的温度和粘度区间提供参考。
[0007]本发明解决技术问题采用如下技术方案:
一种FDM 3D打印材料打印适用性评价方法，其特征在于按照下述步骤进行:
(I )，该适用性评价方法由温度、粘度两个评价指标，升温、降温两个评价过程构成评价总体框架。
[0008](2)，在特定的剪切速率下利用旋转流变仪对现有的可打印材料进行升温和降温的流变测试，模拟打印过程中的挤出和凝固过程。
[0009](3)，由(2)中的旋转流变测试得出的温度一粘度特性曲线构成一个总体框架，作为打印材料适用性的评价方法。
[0010](4)，框架模型如下所示:框架模型如图1所示，在图1所述的框架中，是根据打印材料的温度和粘度变化而构建的。因为对于可打印材料来说在打印过程中当温度过低时，会造成堵丝的现象，而温度过高时则容易使得材料制品不稳定。与此同时对于材料的粘度而言也是一样，当粘度过高时，会使得材料容易堵丝，粘度过低时，则会使制品稳定性下降。由此可见，每一种材料都会有一个可打印的温度区间和粘度区间。
[0011](6)，根据步骤(5)框架模型，对于打印机可以设定这样一个框架，这样在了解每一种材料的特性后，只需要判断材料的温度和粘度特性是否在这个曲线内就可判别其是否可作用于这种机器。
[0012]与已有的评价方法相比，本发明的有益效果体现在:
1，本发明基于3D打印的基本原理，将打印过程简化，形成一个框架模型，对FDM 3D打印材料具有适用性；
2，该发明方法简便，直观，高效，可操作性强；
3，该发明构建了打印材料温度粘度变化的范围，使得每一种材料都可以通过最简便的方式来判别打印的可行性。
[0013]以下通过具体实践方式，对本发明进一步说明。
【附图说明】
[0014]图1为本发明的框架模型；
图2为本发明实施例1得到的旋转流变试验结果图；
图3为本发明对比例2得到的旋转流变试验结果图；
图4为本发明对比例3得到的旋转流变试验结果图；
图5为本发明对比例4得到的旋转流变试验结果图。
【具体实施方式】
[0015]本发明所述的适用于FDM 3D打印材料的评价方法，其包括以下几个方面:
(I )，该适用性评价方法由温度、粘度两个评价指标，升温、降温两个评价过程构成评价总体框架。
(2)，在特定的剪切速率下，利用旋转流变仪对现有的可打印材料进行升温和降温的流变测试，模拟打印过程中的挤出和凝固过程；
(3)，在特定的剪切速率下，对打印材料进行升温(50-2200C，100C/min)旋转流变测试，模拟打印过程中的挤出过程得到升温的温度一粘度特性曲线； (4)，在特定的剪切速率下，对打印材料进行降温(220-500C，100C/min)旋转流变测试，模拟打印过程中的凝固过程得到降温的温度一粘度特性曲线；
(5)，将旋转流变测试中的升温和降温的温度一粘度特性曲线构成一个框架区间，使之形成一个对3D打印材料具有普适性的评价方法；
(6)，框架模型如图1所示，在图1所述的框架中，是根据打印材料的温度和粘度变化而构建的。因为对于可打印材料来说在打印过程中当温度过低时，会造成堵丝的现象，而温度过高时则容易使得材料制品不稳定。与此同时对于材料的粘度而言也是一样，当粘度过高时，会使得材料容易堵丝，粘度过低时，则会使制品稳定性下降。由此可见，每一种材料都会有一个可打印的温度区间和粘度区间。
[0016](7)，根据步骤(6)框架模型，对于打印机可以设定这样一个框架，这样在了解每一种材料的特性后，只需要判断材料的温度和粘度特性是否在这个区间内就可以判别其是否可作用于这种机器。
[0017]举例说明:
实施例1
材料:PLA 01 (河南圣易通信科技有限公司，白色)，旋转流变仪采用PLA (河南圣易通信科技有限公司，白色)作为可打印材料，先用平板硫化机压片将其制备成Imm的片材，然后在剪切速率为20S 1时，对其进行升温速率为10°C /min，温度区间为50-220°C和降温速率为10°C /min,降温区间为220_50°C的旋转流变试验。得到的结果如图2。
[0018]对比例2
材料:PLA 02 (东莞宝奕塑胶制品有限公司，白色)，旋转流变仪采用PLA 02 (东莞宝奕塑胶制品有限公司，白色)作为可打印材料，用平板硫化机压片制备为Imm的片材，然后在剪切速率为20S 1时，对其进行升温速率为10°C /min，温度区间为50-220°C和降温速率为10°C /min,降温区间为220_50°C的旋转流变试验。得到的结果如图3。
[0019]对比例3
材料:PLA 03 (河南圣易通信科技有限公司，橙色)，旋转流变仪采用国产PLA 03 (河南圣易通信科技有限公司，橙色)作为具备可打印性材料，用平板硫化机压片制备为Imm的片材，然后在剪切速率为20S 1时，对其进行升温速率为10°C /min，温度区间为50-220°C和降温速率为10°C /min,降温区间为220-50°C的旋转流变试验。得到的结果如图4。
[0020]对比例4
材料:PLA 04 (牌号为4032D)，旋转流变仪
采用PLA 04 (牌号为4032D)作为不可打印材料进行打印试验，先用平板硫化机压片制备为Imm的片材，然后在剪切速率为20S 1时，对其进行升温速率为10°C /min，温度区间为50-220°C和降温速率为10°C /min,降温区间为220-50°C的旋转流变试验。得到的结果如图5。
[0021]从上图中可以看出，对于可打印材料PLA 01和PLA 02均较好的符合区间范围，对于PLA 03，我们不难看出温度一粘度特性曲线也形成了一个框架，只是与前面的可打印性材料PLA Ol相比，框架区间不能很好的重合，但是对其进行降温处理时则具有较好的重合性。这也从侧面验证了 PLA 03具备可打印性能。而对于不可打印的PLA 04则明显的可以看出温度一粘度特性曲线与框架模型不相重合。综上所述这种评价材料的可打印性方法具有一定的普适性。
【主权项】
1.一种熔丝沉积成型三维打印材料打印适用性评价方法，其特征在于按照下述步骤进行: (1)该适用性评价方法由温度、粘度两个评价指标，升温、降温两个评价过程构成评价总体框架； (2)在特定的剪切速率下利用旋转流变仪对现有的可打印材料进行升温和降温的流变测试，模拟打印过程中的挤出和凝固过程； (3 )由(2 )中的旋转流变测试得出的温度一粘度特性曲线构成一个总体框架，作为打印材料适用性的评价方法； (4)框架模型如下所示:框架模型如图1所示，在图1所述的框架中，是根据打印材料的温度和粘度变化而构建的； 因为对于可打印材料来说在打印过程中当温度过低时，会造成堵丝的现象，而温度过高时则容易使得材料制品不稳定； 与此同时对于材料的粘度而言也是一样，当粘度过高时，会使得材料容易堵丝，粘度过低时，则会使制品稳定性下降； 由此可见，每一种材料都会有一个可打印的温度区间和粘度区间； (6)根据步骤(5)框架模型，对于打印机可以设定这样一个框架，这样在了解每一种材料的特性后，只需要判断材料的温度和粘度特性是否在这个曲线内就可判别其是否可作用于这种机器。
【专利摘要】本发明一种熔丝沉积成型三维打印材料打印适用性评价方法，属于熔丝沉积成型三维打印材料领域。本方法对FDM？3D打印材料的适用性进行系统化量化，采用特定剪切下材料粘度和温度构成的框架模型，对打印特性曲线进行限定，使得打印材料只需通过曲线判别就可以知道其是否可用于FDM？3D打印应用。该方法简洁明了，容易操作，可直观性判断FDM？3D打印材料的适用性。
【IPC分类】B29C67/00, B33Y40/00
【公开号】CN105150540
【申请号】CN201510623604
【发明人】李锦春, 陶庆忠, 张鑫, 陈群, 何明阳
【申请人】常州大学
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年9月28日