一種提高3d打印高分子材料零件性能的處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高3D打印高分子材料零件性能的處理方法，將3D打印的高分子材料零件進行一次深冷處理，一次深冷處理完成后進行自然冷卻，自然冷卻后再次進行二次深冷處理，二次深冷處理后連續(xù)進行回火處理。本方法在超低溫環(huán)境中，分子運動變得緩慢，整個分子鏈內部能量顯著增加，高分子微觀結構變得更致密、有序，而且整個材料結構變得更加平衡，因此材料的力學性得到很大改善。由于對高分子材料進行深冷處理，材料內高分子鏈變得更加有序排列，晶粒尺寸變小，結晶度增加，從而導致高分子材料的耐磨性能、抗彎曲性能和抗拉強度得到很大的改善。本方法處理后的3D打印高分子材料的力學性能明顯增強，能夠更廣泛的應用于工業(yè)生產需求。
【專利說明】一種提高3D打印高分子材料零件性能的處理方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提高高分子零件性能的處理方法，尤其涉及一種提高3D打印高分子零件性能的處理方法。

【背景技術】
[0002]3D打印技術正在快速改變傳統(tǒng)的生產方式和生活方式，作為戰(zhàn)略性新興產業(yè)，美國、德國等發(fā)達國家高度重視并積極推廣該技術。不少專家認為，以數(shù)字化、網(wǎng)絡化、個性化、定制化為特點的3D打印技術為代表的新制造技術將推動第三次工業(yè)革命。3D打印技術其源可以追溯到快速成型技術，從3D計算機輔助設計(3DCAD)發(fā)展開始，人們就希望方便地將設計直接轉化為實物。而3D打印技術，就是在計算機中將3DCAD模型分成若干層，通過3D打印設備在一個平面上按照3DCAD層圖形，將塑料、金屬甚至生物組織活性細胞等材料燒結或者黏合在一起，然后再一層一層的疊加起來。通過每一層不同的圖形的累積，最后形成一個三維物體。3D打印即快速成型技術的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印技術的應用領域也在隨著技術的進步而不斷擴展，包括生活用品、機械設備和生物醫(yī)用材料。
[0003]但是，在機械應用中，材料不可避免的要進行摩擦。由于3D打印是增材制造，層與層之間存在著內部組織不致密等問題，因而3D打印的高分子材料在韌性、耐磨性和機械加工性能等方面遠不如澆注零件，目前主要用于一般要求較低、專業(yè)性不強，以及精度要求不高的部件。
[0004]深冷處理又稱超低溫處理，是指在_130°C以下，使其材料的微觀組織結構、物相結構發(fā)生改變，這種改變微觀上表現(xiàn)為結晶度和晶粒大小的改變，宏觀上表現(xiàn)為材料耐磨性、韌性和尺寸穩(wěn)定性方面的改善和增強，從而達到提高和強化材料性能的目的，是常規(guī)熱處理的延伸。而且操作簡便、不破壞工件、無污染、成本低，因此具有可觀的經濟效益和市場前景。到目前為止，還未見有采用深冷處理來提高3D打印高分子材料力學性能的文獻報道。
[0005]因此，研發(fā)一種采用深冷處理技術提高3D打印高分子材料力學性能具有重要的現(xiàn)實意義。


【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術中的不足，提供一種提高3D打印高分子材料力學性能的處理方法，通過該方法處理后的3D打印高分子材料的力學性明顯增強。
[0007]為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案為:一種提高3D打印高分子材料零件性能的處理方法，其創(chuàng)新點在于:將3D打印的高分子材料零件進行一次深冷處理，一次深冷處理完成后進行自然冷卻，自然冷卻后再次進行二次深冷處理，二次深冷處理后連續(xù)進行回火處理。
[0008]進一步的，所述一次深冷處理為將3D打印的高分子材料零件放入深冷裝置中，控制冷卻速度0.5?10°C /min，冷卻溫度為-130?-253°C，保溫5?36h。
[0009]進一步的，所述自然冷卻為將深冷處理的3D打印高分子材料置于空氣中，自然冷卻到室溫。
[0010]進一步的，所述二次深冷處理將自然冷卻的3D打印的高分子材料零件再次放入深冷裝置中，控制冷卻速度4.5?7.5°C/min，冷卻溫度為-155?-205°C，保溫16?22h。
[0011]進一步的，所述回火處理為將二次深冷處理后的金屬件以8?16°C/min的升溫速度升至室溫，然后在時間間隔小于25min內進行回火處理，設置回火處理時的加熱溫度在150?180°C之間，保溫2?5h，最后將3D打印金屬件置于空氣中，自然冷卻到室溫。
[0012]進一步的，所述深冷裝置中的深冷介質為液氮或液氦。
[0013]進一步的，所述一次深冷處理步驟中冷卻速率為1°C /min,冷卻溫度為_185°C，保溫時間為12h。
[0014]進一步的，所述高分子材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、生物降解塑料聚乳酸、耐沖擊性聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚碳酸酯、聚四氟乙烯或尼龍。
[0015]本發(fā)明的有益效果如下:
(I)在超低溫環(huán)境中，分子運動變得緩慢，整個分子鏈內部能量顯著增加，高分子微觀結構變得更致密、有序，而且整個材料結構變得更加平衡，因此材料的力學性能得到很大的改善。
[0016](2)由于對高分子材料進行深冷處理，材料內高分子鏈變得更加有序排列，晶粒尺寸變小，結晶度增加，從而導致高分子材料的耐磨性能、抗彎曲性能和抗拉強度得到很大的改善。其中耐磨損能力提高50%以上；抗沖擊韌性提高10%?20% ;拉伸強度提高15%左右。
[0017](3)本方法處理后的3D打印高分子材料的力學性能明顯增強，能夠更廣泛的應用于工業(yè)生產需求。

【具體實施方式】
[0018]下面結合具體實施例對本發(fā)明的技術方案作詳細說明。
[0019]實施例1
二次深冷處理將自然冷卻的3D打印的高分子材料零件再次放入深冷裝置中，控制冷卻速度4.5?7.50C /min，冷卻溫度為-155?-205°C，保溫16?22h。
[0020]回火處理為將二次深冷處理后的金屬件以8?16°C /min的升溫速度升至室溫，然后在時間間隔小于25min內進行回火處理，設置回火處理時的加熱溫度在150?180°C之間，保溫2?5h，最后將3D打印金屬件置于空氣中，自然冷卻到室溫。
[0021]將利用聚乙烯醇(PVA)進行3D打印的零件放入深冷處理裝置中，降溫至_196°C并恒溫18 h，深冷處理完將零件置于空氣中，自然冷卻升溫到室溫，其中降溫度速率設置為
0.5°C /min。
[0022]將自然冷卻的金屬件再次放入深冷處理裝置中，控制冷卻速度4.5 0C /min，冷卻溫度為-155°C，保溫16h。
[0023]將二次深冷處理后的金屬件以8°C /min的升溫速度升至室溫，然后在時間間隔小于25min內進行回火處理，設置回火處理時的加熱溫度在150°C之間，保溫2h，最后將3D打印金屬件置于空氣中，自然冷卻到室溫。
[0024]基于本實施例處理過的3D打印的PVA材料，力學性能得到顯著增強，尤其是高分子材料的韌性和耐磨性得到很好的改善，經檢測，其拉伸強力提高8?10%，耐磨性提高
10 ?20%O
[0025]實施例2
將利用尼龍(PA)進行3D打印的零件放入加有液氮的深冷處理裝置中，將其從室溫條件下，以10°c /min降溫至_185°C并恒溫12h。
[0026]再將高分子材料置于空氣中，自然冷卻升溫到室溫。
[0027]將自然冷卻的金屬件再次放入深冷裝置中，控制冷卻速度6°C /min，冷卻溫度為-185°C，保溫 18h。
[0028]將二次深冷處理后的金屬件以13°C /min的升溫速度升至室溫，然后在時間間隔小于25min內進行回火處理，設置回火處理時的加熱溫度在168°C之間，保溫3.5h，最后將3D打印金屬件置于空氣中，自然冷卻到室溫。
[0029]基于本實施例處理過的尼龍耐摩擦性能提高了 40%，抗拉強度提高了 5?10%左右。
[0030]實施例3
將利用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)放入到深冷處理設備中，以0.5°C /min的速度冷卻至-190°C，并恒溫23小時，再自然冷卻升溫至室溫。
[0031]將自然冷卻的金屬件再次放入深冷裝置中，控制冷卻速度7.50C /min，冷卻溫度為-205°C，保溫 22h。
[0032]將二次深冷處理后的金屬件以16°C /min的升溫速度升至室溫，然后在時間間隔小于25min內進行回火處理，設置回火處理時的加熱溫度在180°C之間，保溫5h，最后將3D打印金屬件置于空氣中，自然冷卻到室溫。
[0033]基于本實施例處理過的ABS，經拉伸試驗和抗彎曲試驗可知，其抗拉強度提高了和抗彎曲能力都提高了 20%，其力學性能得到了很大的改善。
【權利要求】
1.一種提高3D打印高分子材料零件性能的處理方法，其特征在于:將3D打印的高分子材料零件進行一次深冷處理，一次深冷處理完成后進行自然冷卻，自然冷卻后再次進行二次深冷處理，二次深冷處理后連續(xù)進行回火處理。
2.根據(jù)權利要求1所述的提高3D打印高分子材料零件性能的處理方法，其特征在于:所述一次深冷處理為將3D打印的高分子材料零件放入深冷裝置中，控制冷卻速度0.5?10°C/min，冷卻溫度為-130?-253°C，保溫5?36h。
3.根據(jù)權利要求1所述的提高3D打印高分子材料零件性能的處理方法，其特征在于:所述自然冷卻為將深冷處理的3D打印高分子材料置于空氣中，自然冷卻到室溫。
4.根據(jù)權利要求1所述的提高3D打印高分子材料零件性能的處理方法，其特征在于:所述二次深冷處理將自然冷卻的3D打印的高分子材料零件再次放入深冷裝置中，控制冷卻速度4.5?7.50C /min，冷卻溫度為-155?-205°C，保溫16?22h。
5.根據(jù)權利要求1所述的提高3D打印高分子材料零件性能的處理方法，其特征在于:所述回火處理為將二次深冷處理后的金屬件以8?16°C/min的升溫速度升至室溫，然后在時間間隔小于25min內進行回火處理，設置回火處理時的加熱溫度在150?180°C之間，保溫2?5h，最后將3D打印金屬件置于空氣中，自然冷卻到室溫。
6.根據(jù)權利要求1所述的提高3D打印高分子材料零件性能的處理方法，其特征在于:所述深冷裝置中的深冷介質為液氮或液氦。
7.根據(jù)權利要求1所述的提高3D打印高分子材料零件性能的處理方法，其特征在于:所述一次深冷處理步驟中冷卻速率為1°C /min，冷卻溫度為_185°C，保溫時間為12h。
8.根據(jù)權利要求1所述的提高3D打印高分子材料零件性能的處理方法，其特征在于:所述高分子材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、生物降解塑料聚乳酸、耐沖擊性聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚碳酸酯、聚四氟乙烯或尼龍。
【文檔編號】B29C71/02GK104129083SQ201410287115
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年6月25日 優(yōu)先權日:2014年6月25日
【發(fā)明者】倪紅軍, 呂毅, 劉紅梅, 吳成群, 徐元彬, 朱昱, 黃明宇, 汪興興, 朱愛東, 張欣 申請人:南通大學