Окончательное руководство по технологическим материалам 3DP | MachineMFG

Полное руководство по материалам для 3DP-процессов

0
(0)

Материалы, необходимые для процесса 3D-печати (3DP), состоят в основном из порошковых материалов и связующих веществ.

1. Порошковые материалы

i. Требования к производительности

Исходя из принципов работы 3DP, порошковые материалы должны обладать хорошей формуемостью, высокой прочностью, малым размером частиц, низкой склонностью к агломерации, хорошей текучестью, подходящей плотностью и пористостью, а также быстро высыхать и затвердевать. Среди этих свойств размер частиц имеет особое значение.

Полное руководство по материалам для 3DP-процессов

Мелкие частицы обеспечивают более сильные ван-дер-ваальсовы силы между ними, но обладают худшей текучестью и склонны к образованию пыли, которая может засорить печатающую головку. Более крупные частицы обладают лучшей текучестью, но могут нарушить точность печати формы. Размер частиц порошка может составлять от 1 мкм до 100 мкм в зависимости от типа используемого принтера и условий эксплуатации.

Порошки, которые могут быть использованы в процессе 3DP, включают гипсовый порошок, крахмал, керамический порошок, металлический порошок, термопластичные материалы и другие порошки с подходящим размером частиц.

ii. Состав порошка

В состав порошковых материалов входят наполнители, связующие и добавки.

a. Наполнители: В качестве основной массы порошкового материала могут использоваться такие наполнители, как кварцевый песок, керамический порошок, гипсовый порошок, полимерный порошок (например, полиметилметакрилат, полиоксиметилен, полистирол, полиэтилен, парафин и т.д.), порошок оксида металла и крахмал. Эти наполнители повышают прочность деталей и помогают контролировать деформацию после формования под воздействием связующего.

b. Папки: Включение в состав порошковых связующих может улучшить формирование прочность порошка. Поливиниловый спирт, целлюлоза (например, полимеризованная целлюлоза, целлюлоза из карбида кремния, графитовая целлюлоза, целлюлоза из силиката алюминия и т.д.) и мальтодекстрин могут служить в качестве армирующих агентов. Однако длина целлюлозы должна быть меньше, чем уменьшение высоты слоя порошка во время печати.

Добавление коллоидного диоксида кремния способствует быстрому загустеванию жидкого связующего при контакте с порошком, что повышает эффективность печати.

c. Добавки: Помимо наполнителей и связующих, для улучшения характеристик порошка требуются различные добавки. Твердые смазывающие вещества, такие как порошок оксида алюминия, растворимый крахмал и тальк, улучшают текучесть порошка, способствуя нанесению тонких и ровных слоев. Добавление мелких частиц высокой плотности, таких как диоксид кремния, повышает плотность порошка и уменьшает пористость, предотвращая чрезмерное проникновение связующего в процессе печати.

Добавление лецитина позволяет минимизировать пыление мелких частиц и сохранить стабильность печатной формы. Кроме того, важно правильно диспергировать порошок, чтобы предотвратить агломерацию из-за малого размера частиц.

d. Подготовка: Помимо простого смешивания, наполнители и связующие вещества можно также покрывать. Если покрыть наполнители связующим (например, поливинилпирролидоном) и высушить, оба компонента будут более равномерно распределены в порошковом материале, что обеспечит равномерное проникновение выброшенного связующего. В качестве альтернативы наполнители могут быть разделены на две порции для нанесения покрытия: одна - со связующим на основе кислоты, другая - со связующим на основе основания.

Когда они встречаются в среде, то быстро вступают в реакцию, образуя форму. Покрытие также эффективно снижает трение между частицами, улучшая их текучесть. Однако важно, чтобы покрытие было очень тонким, от 0,1 до 1,0 мкм.

2. Клеящие вещества

① Требования к производительности

a. Соответствующая вязкость.

Клеящие вещества должны иметь соответствующую вязкость, чтобы обеспечить образование отдельных капель, которые могут отделяться от сопла печатающей головки. Для пьезоэлектрической печатающей головки SEIKO1020 рекомендуемый диапазон вязкости клеящих веществ составляет 8-12 мПа-с.

b. Подходящее поверхностное натяжение.

Поверхностное натяжение должно быть соответствующим, чтобы способствовать хорошему взаимодействию между адгезивом и порошком, обеспечивая эффективное смачивание.

c. Достаточная прочность сцепления.

Клеящие вещества должны обладать достаточной прочностью сцепления, чтобы обеспечить целостность первоначальной печатной структуры.

d. Не подвержены коррозии.

Как правило, жидкие клеящие вещества выбрасываются через металлические печатающие головки и не вызывают коррозии.

e. Нетоксичный и экологически чистый.

Они должны соответствовать национальным или соответствующим организационным экологическим нормам, не иметь летучих запахов, не оказывать токсичного побочного действия, быть экологически безопасными и особенно подходить для офисных помещений.

f. Чистые характеристики сгорания.

Для применения металлических порошков адгезивы обычно требуют спекания и удаления после обработки. Они должны обладать чистыми свойствами горения, минимальным зольным остатком и отсутствием токсичных побочных выбросов.

g. Стабильность.

Вышеупомянутые свойства должны оставаться стабильными для удобства длительного хранения и обеспечения стабильного качества продукта между партиями.

② Основные компоненты

Очевидно, что жидкие адгезивы в первую очередь состоят из базовой среды и растворителей. Кроме того, в их состав должны входить увлажнители, быстросохнущие вещества, смазки, коагулянты, усилители текучести, регуляторы pH и другие добавки (например, красители, пеногасители), ни одна из которых не должна вступать в реакцию с материалом печатающей головки.

Например, увлажнители, такие как полиэтиленгликоль и глицерин, помогают удерживать влагу, способствуя длительному стабильному хранению адгезивов, а глицерин также служит в качестве смазки для уменьшения засорения печатающей головки. Для увеличения скорости испарения излишков клея можно добавлять растворы с низкой точкой кипения, такие как этанол и метанол.

Для порошковых материалов, в которых в качестве желирующего агента используется коллоидный диоксид кремния или аналогичные вещества, в качестве коагулянтов могут вводиться добавки, например лимонная кислота, для повышения эффективности склеивания. Небольшие количества других растворителей (например, метанола) или добавление органических соединений с различной молекулярной массой могут использоваться для регулировки поверхностного натяжения и вязкости в соответствии с требованиями печатающей головки.

Поверхностное натяжение и вязкость сильно влияют на образование капель во время печати; правильная форма и размер капель напрямую влияют на точность процесса печати. Для улучшения текучести жидких адгезивов в них могут быть добавлены такие соединения, как бутиловый эфир диэтиленгликоля, полиэтиленгликоль, сульфат алюминия калия, ацетон и полиакрилат натрия, которые ускоряют скорость печати.

Для адгезивов со специфическими требованиями к рН можно использовать триэтаноламин, гидроксид тетраметиламмония, лимонную кислоту и другие средства, чтобы отрегулировать рН до оптимального уровня.

Красители, которые равномерно диспергируются, могут быть добавлены в эстетических целях или по желанию заказчика в процессе печати. Важно отметить, что количество добавок должно быть ограничено, обычно не более 10% по массовой доле, так как чрезмерное количество может повлиять на результат печати порошка и механические характеристики печатающей головки.

③ Основные типы

Клеящие вещества, используемые в 3DP-процессах, можно классифицировать по нескольким признакам.

a. С точки зрения свойств материала их можно разделить на органические и неорганические адгезивы. Органические адгезивы склеивают порошковые материалы за счет полимеризации, а неорганические - за счет коллоидного гелеобразования.

b. С точки зрения химических реакций их можно разделить на кислотные и основные адгезивы, адгезивы на основе солей металлов и адгезивы на основе растворителей. Кислотные и основные адгезивы соединяют порошковые материалы посредством кислотно-основных химических реакций, адгезивы на основе солей металлов соединяются посредством реакций перекристаллизации, восстановления или вытеснения солей, а адгезивы на основе растворителей действуют главным образом на полимерные порошки, растворяя напыленные или осажденные участки и образуя специфические структуры при испарении растворителя.

c. С точки зрения механизма связывания их можно разделить на адгезивы для порошкового слоя, адгезивы для фазовых изменений и адгезивы, препятствующие спеканию. Адгезивы для порошкового слоя, в отличие от стандартных жидких адгезивов, связываются с порошковым слоем под действием распыляемой через форсунку жидкости. Адгезивы с фазовым переходом связывают порошки друг с другом за счет застывания клея, а адгезивы, препятствующие спеканию, позволяют контролировать область спекания путем выборочного распыления изоляционных материалов.

Эти три метода классификации представлены в таблице 5-3.

Таблица 5-33 Типы связующих для процесса DP

Тип переплетаПрименяемые материалыПреимуществаНедостатки
Классификация по Свойства материалаОрганическое связующее веществоПолиэтилен, бутиральдегидная смола, фенольная смолаПодходит для большинства неспеченных материалов: легко удаляется с минимальным остатком.Склонны к засорению форсунок.
Неорганическое связующее веществоНитрат алюминия, коллоидный диоксид кремнияНагревает весь слой порошка после печати, склеивая его в детали.После нанесения не вступает в немедленную реакцию с порошком.
Классификация по типу химических реакцийКислотно-основное связующее10% Фосфорная кислота и лимонная кислота, поливинилпирролидонПочти не остается следов после термическая обработка.Ограничен несколькими порошками.
Металлический связующий элемент для солиНитраты, силикаты, фосфатыИспользует реакции рекристаллизации, восстановления и смещения для соединения.Сыпучий порошок должен выдерживать термическое сокращение во время процесса восстановления соли.
Связующее вещество на основе растворителяХлороформВысокая чистота деталей.Обычно используется для изготовления полимеров.
Классификация по механизму связыванияПорошковое связующееЦемент, гипсНеспецифичен для определенных порошков, полностью удаляется при высоких температурах: простое осаждение жидкостью.Сложные этапы оптимизации.
Связующее вещество с фазовым переходомДиметилпропанПодходит для большинства порошков.Ограничения на нагрев после печати.
Ингибиторы спеканияИзоляционные материалы, химические окислители и т.д.Границы части распылены.Избыток порошка загрязняет детали.

Жидкие связующие также можно классифицировать в зависимости от их взаимодействия с порошковыми материалами, разделяя их на три типа:

1. Жидкие связующие, которые сами по себе не связываются, служа лишь средой для сцепления порошковых материалов. Они почти полностью улетучиваются после печати, подходят для самореагирующих затвердевающих порошковых материалов, таких как хлороформ, этанол и т. д.

2. Жидкие связующие вещества, которые реагируют с порошковыми материалами, обычно с кислотностью, отличной от кислотности порошковых материалов, могут достигать связывания в результате реакции. Например, порошки, состоящие в основном из глинозема, можно затвердевать путем распыления с кислотным связующим.

Наиболее часто используемые вяжущие на водной основе, содержащие воду в качестве основного компонента, могут обеспечивать среду и водородные связи в воде, позволяя гипсу, цементу и другим порошковым материалам загустевать благодаря водородным связям, улетучиваясь после формирования. Для металлических порошков в связующее вещество часто добавляют соли металлов, чтобы вызвать реакцию.

3. Жидкие связующие вещества, которые частично связываются сами по себе, содержат вещества, которые связываются при добавлении в жидкий растворитель, оставляя основные связующие материалы после испарения растворителя. К распространенным добавкам для связывания относятся бутиральдегидная смола, поливинилхлорид, поликарбосилан, поливинилпирролидон и другие полимеры.

Совместимые жидкие растворители для этих связующих веществ включают воду, ацетон, уксусную кислоту, этилацетоацетат и т.д., причем в настоящее время более популярны связующие вещества на водной основе.

Насколько публикация полезна?

Нажмите на звезду, чтобы оценить!

Средняя оценка 0 / 5. Количество оценок: 0

Оценок пока нет. Поставьте оценку первым.

Так как вы нашли эту публикацию полезной...

Подписывайтесь на нас в соцсетях!

Сожалеем, что вы поставили низкую оценку!

Позвольте нам стать лучше!

Расскажите, как нам стать лучше?

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Прокрутить вверх