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浅析基于3DP打印技术的椰粉材料开发的必要性

2021-03-05 348 上传者：管理员

摘要：3DP技术作为3D打印技术的重要一员，其采用的粘结工艺有助于探索不同材质作为打印耗材的应用可能。椰壳具有极强的吸附杂质功能是一种环保材料，椰壳粉材料经过选取和制备，添加聚乙烯醇作为粘结剂，聚乙烯吡咯烷酮作为添加剂，白碳黑和碳化硅作为填充剂，通过与石膏打印模型的对比验证，展现出良好的立体成型潜质，为3D打印技术与绿色生态材料交叉学科的研究提供了新的尝试。

关键词：
3DP技术
印刷技术
木质纤维
椰壳材料
绿色设计
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1、引言

随着科技的进步，近年来3D打印成为了产业发展的重要方向，因其采用“逐层叠加”“分层制造”的技术原理，利用“增长法”代替常规生产的“去除法”，将材料的使用和浪费降到最低限度，其使用资源少、生产工艺强、产品个性化等特点与可持续设计理念不谋而合。在3D打印行业中，创新材料的探索与应用一直是一个重要的研究方向，如何将3D打印技术与生态材料结合，使其能够满足绿色设计的需求，就成为一个值得研究的课题。为此本次试验以三维打印制造技术为载体，椰壳材料为打印介质，拟研究生态材料在3D打印技术中应用的可行性，为调和现代生产与可持续发展间的矛盾提供一种新的思考。

2、3DP技术优势

3DP技术（Three-DimensionalPrinting）也被称为立体喷墨打印技术，是一种新型的三维打印制造技术。3DP技术是利用喷头的运动，将液滴选择性喷射在粉床表面，并通过液体与固体粉末的综合作用将选定的区域固化成型[1]。供粉缸均匀地提供粉末，通过铺粉辊将这些粉末推入成型缸中并铺平压实，然后打印喷头在计算机控制下按照图像的横截面喷射出有颜色的粘结剂，横截面内的粉末被粘结固定成形，横截面外的粉末被回收利用，周而复始实现图像的逐层累积。通过喷射及粘结的方式可以将非成形微粒材料如金属颗粒、陶瓷颗粒、树脂颗粒等立体印刷成形。

这种技术具有以下优势：（1）成形速度快，常规设备能实现垂直构建速度超过25mm/h;(2）打印幅面大，最大幅面可以达到400mm;(3）适用复杂形状，粉末能够支撑悬空部分可以很好应对各种曲面和空心物体的打印；（4）环境污染小，采用粉末粘结减少了烧结带来的空气污染；（5）使用耗材少，无需支撑且耗材粉末可以回收再利用；（6）实现全彩色打印，减少了成形作品的后期上色工序；（7）适用材料广，采用粉末粘结工艺而不是粉末熔融工艺，使得常规不具备熔融性质的材料也具备了成为打印材料的可能。不仅如此，这种工艺特性还能够实现将不同材料颗粒进行配比使用，无疑为探索材料的广泛性和适用性开启了方便之门。3DP粉末粘合成型工艺如图1所示。

3、原料选取和制备

椰壳是中国广为分布的一种自然绿色环保材料，椰炭纤维具有吸湿透气、吸附除臭、释放负离子等特性[2]，对于去除毒粉尘污染、祛湿除味防霉等均具有显著的功效，开发成为兼具吸附功能和观赏功能的装饰品具有广阔的市场潜力。在3DP工艺中，粉末材料的成分和比例对成形的精度、强度以及可靠性有着重要影响。椰壳纤维较其它天然物纤维具有较低的纤维素（36%-43%）和半纤维（0.2%）含量，但有较高的木质素含量（41%-45%）及微纤角度（30-45°），和其它常见的天然纤维相比表现出最高的断裂伸长率，同时，椰壳纤维热导率低，密度小，因而是绿色复合材料领域一种重要的增强纤维[3]。3DP工艺备选材料为经过物理化学改性后的椰壳粉，其主要成分为木质纤维素，还含有少量醋酸、木馏油、酚等物质。木质素（MZS）与聚合物复合是一种便捷而又低成本的方法，所得材料可具有良好的综合性能[4]。在打印材料制备过程中，单质粉末材料需要具备粒径小、团聚

性低、滚动性高的要求，混合粉末还需要考虑各种颗粒的密度、孔隙率和干燥硬化率等指标，是一个系统性工程。在3D打印所用粉末的粒径范围内，粉末直径越小，流动性越差，制件内部孔隙率越大，但所得制件的质量和塑性较好；粉末直径越大，流动性越好，但打印精度较差[5]。可见颗粒粒径选择非常重要，由于较小的粒径打印精度较高但滚动性差且易扬尘，较大的粒径滚动性好但成品表面颗粒感强，结合椰壳粉真密度（1.9～2.1g/cm3）和表观密度（0.36～0.55g/cm3）指标，参考砂样的物性参数表[6]，按照能够满足精度要求且不易出现颗粒团聚的标准，在设备允许运行范围内选择制备75µm和150µm两种粒径。

在材料制备上，第一步选择色泽光亮、无杂质、干燥的椰壳粉，通过碾磨工艺获取原料，利用200目筛孔筛选出不超过75µm的颗粒，利用100目筛孔筛选出不超过150µm的颗粒；第二步结合3DP填料制备工艺，为了提高粉末的流动性，能够更均匀的铺展碳粉，填料加入0.5%的白碳黑（气相法二氧化硅）和3%的碳化硅微粒，有助于减小成材的孔隙率和提高椰粉材料的成型强度；第三步将改性粉末混料通过高温干燥存储备用；第四步结合椰壳粉木质纤维成分，选择聚乙烯醇作为填料粘结剂，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为添加剂，能够满足安全性、相容性、粘结性、渗透性等需求。

4、打印成型

4.1 打印材质配比

以3DP打印技术中应用最为广泛的石膏材料作为对照样本，选择不超过75µm的粒径，研究椰壳粉材料在相同打印条件下的不同成型特点，分析生态材料在三维打印技术中的应用可能性。打印材质配比见表1。

4.2 打印模型选取

为了更好地检验椰壳粉材料在3DP打印技术中的应用，选择壁厚为3mm的镂空无色模型作为打印样本，通过较薄的壁厚和镂空形状可以很好地检验椰壳粉成型后各项指标，一方面有助于了解椰壳混料与粘结剂、添加剂的匹配性，另一方面也有助于探索椰壳材料在3DP打印技术中的应用优势与不足。

4.3 打印流程

第一步将打印喷头离粉末距离设定为1mm，成型厚度设定为0.1mm，喷射扫描选择为中速模式，扫描速度为0.6m/s，扫描间距为0.4mm，辊子转速为225r/min，室温控制为22℃；第二步利用切片软件对数据模型进行切片，并将数据导入打印设备上并打印输出；第三步对打印好的模型进行后期打磨工艺处理，观察两者之间的加工差异，并找出改进方法及措施。

4.4 样本对比

(1）椰粉样本1与石膏样本对比结果

椰粉样本稍轻；从造型精度看椰粉样本1较石膏模糊；从表面看石膏样本与椰粉样本细腻感相似；从后期加工看石膏样本更易打磨成型；从强度看两者均能够满足非承载性需求。

(2）椰粉样本2与石膏样本对比结果

从重量上看椰粉样本2较石膏样本稍轻，但手感区别并不明显；从造型精度看椰粉样本2较为模糊且有部分镂空支架断裂；从表面看石膏样本触感更细腻；从后期加工看石膏样本更易打磨成型。

(3）椰粉样本1与椰粉样本2对比结果

从造型精度看椰粉样本1较椰粉样本2清晰；从表面看椰粉样本1细腻感更强；从后期加工看椰粉样本1和椰粉样本2打磨成型相似；从强度看两者均能够满足非承载性需求。

打印效果：石膏样本>椰粉样本1>椰粉样本2

4.5 对比结论

(1）打印样本能够顺利输出为非承载性的摆件，说明椰壳粉在3DP打印中具有与石膏相近的成型性，是一种潜在的优良打印材料；（2）椰壳粉选用粒度200目，颗粒直径75µm的微粒进行打印，其成型效果更好；（3）椰壳粉样本精度相对石膏粗糙且部分镂空支架断裂，说明椰壳粉的强度还有待进一步提升，在选择粘结剂和混粉方面还需要进一步探索；（4）石膏与椰粉成品触感相似说明椰粉表面密度较好，白碳黑填补空隙效果较为明显；（5）虽然椰壳粉在打磨成型和细节塑造方面不及石膏样本，但椰壳粉打磨成型后的磨砂效果能够为打印材料在肌理创新方面的应用提供新思路。

4.6 改进措施

整个流程很好地验证了椰壳材料在3DP技术领域具备的良好开发前景，在具体的实施中还存在一些值得改进的问题：（1）参照标本的选择较为单一，虽然石膏是3DP打印材料中应用最广的材料，但是仍可用不同材料如陶瓷粉末、淀粉、金属粉末和复核材料粉末等进行对比验证，使数据更加全面客观；（2）选择的粘结剂较为单一，虽然聚乙烯吡咯烷酮是一种应用广泛且反馈良好的中性粘结材料，但是仍可以用其它粘结剂如硅胶、聚碳硅烷等进行对比验证，根据椰粉成型的精度和强度找出最匹配的粘结剂类型；（3）填料配比虽然参考了3DP材料制备工艺的常用数据，但是椰壳材料本身却并无具体参考指标，白碳黑和碳化硅的加入虽然对打印精度有改善作用，但是配比种类及配比数值还可以一步细化。

4.7 实践意义

本次试验在粘结剂、打印材料、打印工艺、后期处理等方面较好地验证了椰壳材料在3DP打印中应用的潜能，是绿色材料作为打印基材的一次重要尝试。从试验结果看椰粉材料能够较好地匹配3D打印技术的输出要求，在满足颗粒大小、水分控制基础上，控制好粘结剂及填充剂的比例，具备大规模打印输出为产品的潜能。

5、结语

3DP技术相较于其它打印技术，具有材料适用性广的优势，其采用的“增材模式”打印方式，区别于常规生产的“减材模式”，具备“用料最少，产出最好”的优点。椰壳材料作为椰子的副产品，通过制备与开发能够成为一种较为理想的3D打印基材，是绿色设计变废为宝的一次重要尝试。从试验环节看采用的打印颗粒主要源于椰壳的木质纤维，这些纤维广泛分布于各种秸秆、木材、藤蔓类植物中，是绿色可再生材料作为3D打印耗材的一次有益探索，为后期打印材料与植物纤维结合的研究提供了新的思路，是基于环保理念开发模式的一次创新实践。

参考文献：

[1]田乐,魏青松,毛贻桅,等.α半水石膏对三维喷印覆膜砂砂型(芯)性能的影响[J].特种铸造及有色合金,2016(120):1305-1308.

[2]王吉祥,左洪芬.椰壳纤维和椰炭纤维的性能与应用[J].纺织科技进展,2020(2):5-7.

[4]施佳楠,雷文.植物纤维及其提取物增强聚合物的3D打印成型研究[J].高分子通报,2020(1):17-23.

[5]张迪湦,杨建明.3DP法三维打印技术的发展与研究现状[J].制造技术与机床,2017(3):38-43.

[6]杨伟东,徐宵伟,贾鹏飞.3DP工艺中粘结剂渗透过程的仿真与研究[J].制造技术与机床,2016(10):102-106.

吴杰.基于3DP打印技术的椰粉材料开发研究[J].轻工科技,2021,37(03):39-40+94.