一种氧化铝粉末3D打印材料的制备方法.pdf

本发明公开了一种氧化铝粉末3D打印材料的制备方法，其特征在于，采用六偏磷酸钠水溶液对氧化铝粉末预处理，得到；然后，在研磨机中，按质量百分比加入，处理氧化铝粉末：80%~87%，光敏环氧树脂：2%~6%，石油树脂：1%~3%，盐酸羟胺：0.5%~3%，开启研磨机转速在400转/分钟，研磨5min，再加入丙酮：8%~15%，各组分之和为百分之百，研磨机转速在400转/分钟，再研磨20~30min，干燥，得到氧化铝粉末3D打印材料。该材料在激光烧结下可直接成型不需要喷洒胶粘剂，成型精度高，而且具有制备工艺简单，条件易于控制，生产成本低，易于工业化生产。

权利要求书
1.  一种氧化铝粉末3D打印材料的制备方法，其特征在于，该方法具有以下工艺步骤：
（1）氧化铝粉末预处理：在反应器中，按质量百分比加入，水：56%~66%，六偏磷酸钠：2%~7%，搅拌溶解，再加入氧化铝粉末：30%~38%，各组分之和为百分之百，强力搅拌、于50±2℃恒温反应3~5h，冷却后，过滤、洗涤，干燥，得到预处理氧化铝粉末；
（2）氧化铝粉末3D打印材料的制备：在研磨机中，按质量百分比加入，处理氧化铝粉末：80%~87%，光敏环氧树脂：2%~6%，石油树脂：1%~3%，盐酸羟胺：0.5%~3%，开启研磨机转速在400转/分钟，研磨5min，再加入丙酮：8%~15%，各组分之和为百分之百，研磨机转速在400转/分钟，再研磨20~30min，干燥，得到氧化铝粉末3D打印材料，所得到的氧化铝粉末3D打印材料的粒径为0.5~2.0μm的范围内。

2.  根据权利要求1所述的一种氧化铝粉末3D打印材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的氧化铝粉末的粒径在0.5~1.5μm范围内。

3.  根据权利要求1所述的一种氧化铝粉末3D打印材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的光敏环氧树脂与石油树脂的质量比在1：0.4~0.6之间最优。

4.  根据权利要求1所述的一种氧化铝粉末3D打印材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的预处理氧化铝粉末与盐酸羟胺的质量比在1：0.01~0.03之间最优。

5.  根据权利要求1所述的一种氧化铝粉末3D打印材料的制备方法所制备的氧化铝粉末3D打印材料，其特征在于，所述氧化铝粉末3D打印材料的成型条件为：激光功率为40~50W，扫描速度为1500mm/s，扫描间距为0.1~0.15mm，分层厚度为0.10~0.2mm，预热温度：50℃，加工温度为130~150℃。

说明书一种氧化铝粉末3D打印材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于激光烧结快速成型粉末材料的制备方法，属于快速成型的材料领域，特别涉及一种氧化铝粉末3D打印材料的制备方法及应用。
背景技术
激光烧结属于增材制造的一种方法。这种工艺也是以激光器为能量源，通过激光束使塑料、蜡、陶瓷、金属或其复合物的粉末均匀地烧结在加工平面上。在工作台上均匀铺上一层很薄（亚毫米级）的粉末作为原料，激光束在计算机的控制下，通过扫描器以一定的速度和能量密度按分层面的二维数据扫描。经过激光束扫描后，相应位置的粉末就烧结成一定厚度的实体片层，未扫描的地方仍然保持松散的粉末状。这一层扫描完毕后，随后需要对下一层进行扫描。先根据物体截层厚度即分层层厚而降低工作台，铺粉滚筒再一次将粉末铺平，可以开始新一层的扫描。如此反复，直至扫描完所有层面，并经过后处理，即可获得产品。
在现有的成型材料领域中，由于SLS(选择性激光烧结)快速成型技术具有原料来源多样和零件的构建时间较短等优点，故在快速成型领域有着较广泛的应用。但大部分是有机材料和复合材料，中国发明专利CN1379061A中公开了一种用于激光烧结成型制品的尼龙粉末材料，通过化学合成和工艺的改进，对尼龙粉末材料的表面进行处理，得到了烧结性能优良，成型制品强度高，韧性好的产品，简化了激光烧结尼龙材料的制备工艺，降低了成本；中国发明专利CN103881371 中公开了一种激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末及其制备方法。
3D打印（3D printing），是一种以数字模型文件为基础，运用流体状、粉末状、丝（棒）状等可固化、粘合、熔合材料，通过逐层固化、粘合、熔合的方式来构造物体的技术。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。这打印技术称为 3D立体打印技术。传统制造业一般需要对原材料进行切割或钻孔，即减材制造，可大规模生产；  3D打印是将材料一层层堆叠粘合、熔合，即增材制造；可实现快速个性化制造，可制造出传统制造业无法完成的形状。
3D打印材料是3D打印技术发展的重要物质基础，在某种程度上，材料的发展决定着3D打印能否有更广泛的应用。目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等。陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性，在航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的应用。但由于陶瓷材料硬而脆的特点使其加工成形尤其困难，特别是复杂陶瓷部件需通过模具来成形，模具加工成本高、开发周期长，难以满足产品不断更新的需求。3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉和某种胶粘剂粉末所组成的混合物。由于胶粘剂粉末的熔点低，激光烧结时只是将胶粘剂粉末熔化而使陶瓷粉末粘结一起，需要将陶瓷制品放入到温控炉中，在较高的温度下进行后处理。陶瓷粉末和胶粘剂粉末的配比、混合程度会影响到陶瓷部件的性能。粘结剂比例越高，烧结比较容易，但在后处理过程中零部件收缩比较大，会影响部件的尺寸精度。反之，胶粘剂用量少，则不容易烧结。
氧化铝陶瓷是一种以氧化铝（Al2O3）为主体的陶瓷材料，用于厚膜集成电路。氧化铝陶瓷有较好的传导性、机械强度和耐高温性。氧化铝陶瓷是一种用途广泛的陶瓷，如陶瓷轴承、陶瓷密封件及水阀片，制成熔融玻璃以取代铂坩埚，利用其透光性及可耐碱金属腐蚀性用作钠灯管，在电子工业中可用作集成电路基板与高频绝缘材料等。
本发明通过对氧化铝粉末材料进行表面涂层改性，将高分子的胶粘剂涂层到超细氧化铝粉末的表面，得到的涂层后氧化铝粉末材料可以直接采用激光烧结快速成型。该粉末可达到微米及亚微米级，胶粘剂涂层均匀，胶粘剂用量少，粘结效果好，强度大，后处理简单，而且粒径均一的粉末材料。该材料可以方便快捷地成形精密、异型、复杂的部件，不需要喷洒粘接剂，大大简化才做程序。所得到产品不仅强度高，也使薄壁微小零件的成型在3D快速成型机上的实现成为可能；此外，本专利提供的方法简单，成本低。
发明内容
本发明的目是提供一种氧化铝粉末3D打印材料的制备方法，快速成型粉末不需要喷洒粘结剂可直接激光扫描成型；
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种氧化铝粉末3D打印材料的制备方法，其特征在于，该方法具有以下工艺步骤：
（1）氧化铝粉末预处理：在反应器中，按质量百分比加入，水：56%~66%，六偏磷酸钠：2%~7%，搅拌溶解，再加入氧化铝粉末：30%~38%，各组分之和为百分之百，强力搅拌、于50±2℃恒温反应3~5h，冷却后，过滤、洗涤，干燥，得到预处理氧化铝粉末；
（2）氧化铝粉末3D打印材料的制备：在研磨机中，按质量百分比加入，处理氧化铝粉末：80%~87%，光敏环氧树脂：2%~6%，石油树脂：1%~3%，盐酸羟胺：0.5%~3%，开启研磨机转速在400转/分钟，研磨5min，再加入丙酮：8%~15%，各组分之和为百分之百，研磨机转速在400转/分钟，再研磨20~30min，干燥，得到氧化铝粉末3D打印材料，所得到的氧化铝粉末3D打印材料的粒径为0.5~2.0μm的范围内。
在步骤（1）中所述的氧化铝粉末的粒径在0.5~1.5μm范围内；
在步骤（2）中所述的光敏环氧树脂与石油树脂的质量比在1：0.4~0.6之间最优。
在步骤（2）中所述的预处理氧化铝粉末与盐酸羟胺的质量比在1：0.01~0.03之间最优。
本发明所述的颗粒度测试方法是采用激光粒度仪测得的粒度当量直径尺寸。
本发明的另一目的是提供氧化铝粉末3D打印材料在3D打印机上成型的应用，特点为：将氧化铝粉末3D打印材料加入到选择性激光烧结成型机的供粉缸中，铺粉滚轮将粉末材料均匀地铺在加工平面上并被加热至加工温度，激光器发出激光，计算机控制激光器的开关及扫描器的角度，使得激光束在加工平面上根据对应的二维片层形状进行扫描，激光束扫过之后，工作台下移一个层厚，再铺粉，激光束扫描，如此反复，得到激光烧结件；其中激光束在加工平面上扫描的方式为分区域扫描，激光功率为40~50W，扫描速度为1500mm/s，扫描间距为0.1~0.15mm，分层厚度为0.10~0.2mm，预热温度：50℃，加工温度为130~150℃。
本发明与现有技术比较，具有如下优点及有益效果：
（1）本发明获得的氧化铝粉末3D打印材料，不需要喷洒粘结剂在激光烧结条件下可直接成型，由于在制备过程中加入具有还原性的盐酸羟胺，盐酸羟胺在成型过程中可以吸收具有氧化性的气体以避免产生喷溅。
（2）本发明获得的氧化铝粉末3D打印材料，颗粒可达到亚微米级甚至纳米级，具有中位径粒小，粒度分布范围窄的特点，性质稳定；由这种快速成型粉末材料可以制造薄壁模型或微小零部件，制造出产品具有表面光泽度高，强度好，精度高等特点。
（3）本发明获得的氧化铝粉末3D打印材料，具有制备工艺简单，条件易于控制，生产成本低，易于工业化生产，又具有低碳环保和节约能源等优势。
（4）本发明获得的氧化铝粉末3D打印材料，能够有效的在激光烧结3D打印机上快速成型，成型的精度高。
具体实施方式
实施例1
（1）氧化铝粉末预处理：在反应器中，分别加入，水：60 mL，六偏磷酸钠：5g，搅拌溶解，再加入氧化铝粉末：35g，强力搅拌、于50±2℃恒温反应4h，冷却后，过滤、洗涤，干燥，得到预处理氧化铝粉末；
（2）氧化铝粉末3D打印材料的制备：在研磨机中，分别加入，处理氧化铝粉末：84g，光敏环氧树脂：4g，石油树脂：2g，盐酸羟胺：1g，开启研磨机转速在400转/分钟，研磨5min，再加入丙酮：11 mL，研磨机转速在400转/分钟，再研磨25min，干燥，得到氧化铝粉末3D打印材料，所得到的氧化铝粉末3D打印材料的粒径为0.5~2.0μm的范围内。
实施例2
（1）氧化铝粉末预处理：在反应器中，分别加入，水：56 mL，六偏磷酸钠：6g，搅拌溶解，再加入氧化铝粉末：38g，强力搅拌、于50±2℃恒温反应3h，冷却后，过滤、洗涤，干燥，得到预处理氧化铝粉末；
（2）氧化铝粉末3D打印材料的制备：在研磨机中，分别加入，处理氧化铝粉末：87g，光敏环氧树脂：3g，石油树脂：1.5g，盐酸羟胺：0.5g，开启研磨机转速在400转/分钟，研磨5min，再加入丙酮：10 mL，研磨机转速在400转/分钟，再研磨20min，干燥，得到氧化铝粉末3D打印材料，所得到的氧化铝粉末3D打印材料的粒径为0.5~2.0μm的范围内。
实施例3
（1）氧化铝粉末预处理：在反应器中，分别加入，水：66mL，六偏磷酸钠：4g，搅拌溶解，再加入氧化铝粉末：30g，强力搅拌、于50±2℃恒温反应5h，冷却后，过滤、洗涤，干燥，得到预处理氧化铝粉末；
（2）氧化铝粉末3D打印材料的制备：在研磨机中，分别加入，处理氧化铝粉末：80g，光敏环氧树脂：6g，石油树脂：3g，盐酸羟胺：1g，开启研磨机转速在400转/分钟，研磨5min，再加入丙酮：12 mL，研磨机转速在400转/分钟，再研磨30min，干燥，得到氧化铝粉末3D打印材料，所得到的氧化铝粉末3D打印材料的粒径为0.5~2.0μm的范围内。
实施例4
（1）氧化铝粉末预处理：在反应器中，分别加入，水：64 mL，六偏磷酸钠：2g，搅拌溶解，再加入氧化铝粉末：34g，强力搅拌、于50±2℃恒温反应3.5h，冷却后，过滤、洗涤，干燥，得到预处理氧化铝粉末；
（2）氧化铝粉末3D打印材料的制备：在研磨机中，分别加入，处理氧化铝粉末：82g，光敏环氧树脂：2g，石油树脂：1g，盐酸羟胺：3g，开启研磨机转速在400转/分钟，研磨5min，再加入丙酮：14 mL，研磨机转速在400转/分钟，再研磨22min，干燥，得到氧化铝粉末3D打印材料，所得到的氧化铝粉末3D打印材料的粒径为0.5~2.0μm的范围内。
实施例5
（1）氧化铝粉末预处理：在反应器中，分别加入，水：57 mL，六偏磷酸钠：7g，搅拌溶解，再加入氧化铝粉末：36g，强力搅拌、于50±2℃恒温反应4.5h，冷却后，过滤、洗涤，干燥，得到预处理氧化铝粉末；
（2）氧化铝粉末3D打印材料的制备：在研磨机中，分别加入，处理氧化铝粉末：85g，光敏环氧树脂：5g，石油树脂：2g，盐酸羟胺：2g，开启研磨机转速在400转/分钟，研磨5min，再加入丙酮：8 mL，研磨机转速在400转/分钟，再研磨28min，干燥，得到氧化铝粉末3D打印材料，所得到的氧化铝粉末3D打印材料的粒径为0.5~2.0μm的范围内。
实施例6
（1）氧化铝粉末预处理：在反应器中，分别加入，水：65 mL，六偏磷酸钠：3g，搅拌溶解，再加入氧化铝粉末：32g，强力搅拌、于50±2℃恒温反应4h，冷却后，过滤、洗涤，干燥，得到预处理氧化铝粉末；
（2）氧化铝粉末3D打印材料的制备：在研磨机中，分别加入，处理氧化铝粉末：81g，光敏环氧树脂：4g，石油树脂：2g，盐酸羟胺：2g，开启研磨机转速在400转/分钟，研磨5min，再加入丙酮：13 mL，研磨机转速在400转/分钟，再研磨25min，干燥，得到氧化铝粉末3D打印材料，所得到的氧化铝粉末3D打印材料的粒径为0.5~2.0μm的范围内。
使用方法：将氧化铝粉末3D打印材料加入到选择性激光烧结成型机的供粉缸中，铺粉滚轮将粉末材料均匀地铺在加工平面上并被加热至加工温度，激光器发出激光，计算机控制激光器的开关及扫描器的角度，使得激光束在加工平面上根据对应的二维片层形状进行扫描，激光束扫过之后，工作台下移一个层厚，再铺粉，激光束扫描，如此反复，得到激光烧结件；其中激光束在加工平面上扫描的方式为分区域扫描，激光功率为40~50W，扫描速度为1500mm/s，扫描间距为0.1~0.15mm，分层厚度为0.10~0.2mm，预热温度：50℃，加工温度为130~150℃。