本發(fā)明屬于3D打印技術領域，具體涉及一種熔融沉積成型(FDM)工藝制備的制品及其制備方法、上述制品中使用的復合線材及其制備方法。

背景技術：

3D打印技術，又稱增材制造技術，是快速成型領域中的一種新興制造技術。3D打印技術以計算機三維設計模型為藍本，通過計算機數(shù)字軟件程序控制，利用激光燒結，或加熱熔融等方式將金屬、陶瓷或聚合物等材料逐層堆積成型，從而制造出三維實體產品。獨特的制造優(yōu)勢，使其發(fā)展迅速，目前已廣泛應用在工業(yè)、生活、醫(yī)學及科研等領域。其中，熔融沉積成型(FDM)工藝是最為常用的3D打印技術之一，其所使用的材料一般為尼龍、ABS等熱塑性樹脂，但由于這類樹脂結構的特殊性，很容易導致最終產品的力學性能不佳，限制了其應用范圍的擴大。

將纖維與熱塑性樹脂混合制成復合材料，是提高樹脂制件力學性能的重要手段。纖維增強主要有短纖維增強和長纖維增強兩種，長纖維增強是傳統(tǒng)增強工藝，但過程相對復雜，成本較高且不易操作，而短纖維增強則具有操作簡便，成本低廉，增強效率高等優(yōu)點，而將其應用于3D打印技術，特別是熔融沉積成型(FDM)工藝的纖維增強復合材料還未見報道。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的之一在于提供一種制品及其制備方法，所述制品具有較好的力學性能，即有較高的拉伸強度和彎曲強度，而且所述制品具有表面光潔、固化收縮率小且尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點。

本發(fā)明的目的之二在于提供一種上述制品中使用的復合線材及其制備方法，所述復合線材中添加有特定長徑比的短纖維，在增強其力學性能的同時，可以很好地保證所述材料的熔融加工性能，所述材料用于基于熔融沉積成型(FDM)工藝的3D打印時，可以保證打印過程流暢，而且打印的制品表面光潔、固化收縮率小且尺寸穩(wěn)定。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

一種制品，其通過熔融沉積成型(FDM)工藝制備，所述熔融沉積成型(FDM)工藝中所用的原料為一種復合線材，所述復合線材通過包括以下組分的組合物加工而成：

聚合物：100重量份；

短纖維：10～60重量份；優(yōu)選20～50重量份；

偶聯(lián)劑：0.5～10重量份；優(yōu)選1～5重量份；

抗氧化劑：0.01～1重量份；優(yōu)選0.1～0.8重量份；

其中，所述短纖維的長徑比為10～300，優(yōu)選為10～70，進一步優(yōu)選為10～30。

本發(fā)明中，所述的“短纖維的長徑比”是指短纖維的長度和其直徑的比例，且長度和直徑的單位統(tǒng)一，例如可以是米、厘米、毫米、微米等。

根據(jù)本發(fā)明，所述短纖維為玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、晶須、石棉纖維及合成纖維中的至少一種。優(yōu)選地，所述短纖維為碳纖維、玻璃纖維中的至少一種。

根據(jù)本發(fā)明，所述聚合物為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醚酮(PEEK)及尼龍系列聚合物中的至少一種。優(yōu)選地，所述聚合物為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)和尼龍系列聚合物中的至少一種。更優(yōu)選地，所述聚合物為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)或尼龍66聚合物或二者的任意比例的混合物。

根據(jù)本發(fā)明，所述偶聯(lián)劑為3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、3-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)或3-(異丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)中的至少一種。優(yōu)選地，所述偶聯(lián)劑為3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)。

根據(jù)本發(fā)明，所述抗氧化劑為2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚、3,5-二叔丁基-4-羥基苯丙酸十八酯或亞磷酸三苯酯中的至少一種。優(yōu)選地，所述抗氧化劑為2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚。

本發(fā)明還提供上述制品的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

1)按照重量百分比選取組合物中的各組分，得到所述組合物；

2)將所述組合物熔融擠出，制成所述復合線材；

3)將上述復合線材通過送絲裝置送進基于熔融沉積成型(FDM)工藝的3D打印機噴頭，在噴頭內被加熱熔化并擠出，熔融的上述復合線材被擠出后迅速固化形成固化薄層，經層層堆積制成所述制品。

根據(jù)本發(fā)明，在步驟2)中，所述的復合線材的熔融擠出工藝可以是采用現(xiàn)有技術已知的任一種線材的熔融擠出工藝，例如可以是采用雙螺桿擠出機將所述組合物擠出加工成直徑為1.75mm的細絲，直徑誤差在5％以內，所述雙螺桿擠出機的螺桿的長徑比為40；還可以是采用單螺桿擠出機將所述組合物擠出加工成直徑為3.0mm的細絲，直徑誤差在5％以內，所述單螺桿擠出機的螺桿直徑為70mm，長徑比為25。

根據(jù)本發(fā)明，在步驟3)中，所述熔融沉積成型(FDM)工藝中噴頭溫度為200～300℃，熱床溫度60～100℃。

本發(fā)明中，在加工所述制品用的復合線材中加入特定長徑比的短纖維，所述短纖維的加入在提高所述制品的力學性能(增加其拉伸和彎曲強度)的同時，完全保證了所述復合線材在熔融沉積過程中的熔融性能，可以保證打印出的制品表面光潔、固化收縮率小、尺寸穩(wěn)定且力學性能優(yōu)良。

本發(fā)明中，選用的短纖維的長徑比為10～300，其中，當長徑比小于此范圍時，其所產生的作用與顆粒增強相近，即無法起到纖維力學增強的效果；長徑比大于此范圍時，纖維與聚合物基體在復合過程中，容易產生纖維分布不均及纖維不能完全被聚合物基體所浸漬的現(xiàn)象，且所制成的復合線材在受熱熔融時所形成的熔體流動性差，表面粗糙，影響制品層間結合力以及制品表面光潔度等，從而不利于熔融沉積成型，因此無法滿足基于熔融沉積成型(FDM)工藝的3D打印需求。

本發(fā)明還提供上述制品中使用的復合線材，所述復合線材通過包括以下組分的組合物加工而成：

聚合物：100重量份；

短纖維：10～60重量份；優(yōu)選20～50重量份；

偶聯(lián)劑：0.5～5重量份；優(yōu)選1～5重量份；

抗氧化劑：0.1～1重量份；優(yōu)選0.1～0.8重量份；

其中，所述短纖維的長徑比為10～300，優(yōu)選為10～70，進一步優(yōu)選為10～30。

本發(fā)明還進一步提供上述復合線材的制備方法，所述方法包括以下步驟：

a)按照重量百分比選取所述組合物中的組分；

b)將上述組分混合均勻，擠出加工成細絲，即制備得到所述復合線材。

根據(jù)本發(fā)明，在步驟b)中，可以采用現(xiàn)有技術已知的任一種線材的熔融擠出工藝，例如可以是采用雙螺桿擠出機將所述組合物擠出加工成直徑為1.75mm的細絲，直徑誤差在5％以內，所述雙螺桿擠出機的螺桿的長徑比為40；還可以是采用單螺桿擠出機將所述組合物擠出加工成直徑為3.0mm的細絲，直徑誤差在5％以內，所述單螺桿擠出機的螺桿直徑為70mm，長徑比為25。

本發(fā)明的有益效果：

1.本發(fā)明提供一種制品及其制備方法，所述制品是通過熔融沉積成型(FDM)工藝制備得到的，所述熔融沉積成型(FDM)工藝中所用的原料為一種復合線材。所述制品具有優(yōu)異的力學性能，其拉伸強度、彎曲強度均較高，所述制品的表面光潔，固化收縮率小，尺寸穩(wěn)定且力學性能優(yōu)良。

2.本發(fā)明還提供上述制品中使用的復合線材及其制備方法，所述復合線材中添加有特定長徑比的短纖維。所述短纖維既可以改善所述制品的力學性能，還可以保證所述復合線材的熔融加工性能；所述制備過程簡單，具有大規(guī)模生產的應用前景。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外，應理解，在閱讀了本發(fā)明所記載的內容之后，本領域技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本發(fā)明所限定的范圍。

實施例1

將丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)聚合物100重量份，短切玻璃纖維(長徑比約10～30)30重量份，偶聯(lián)劑3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)5重量份，抗氧化劑2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚0.4重量份混合，經雙螺桿擠出機或單螺桿擠出機擠出制成本發(fā)明的復合線材。

所述的復合線材的熔融擠出工藝為：采用雙螺桿擠出機將所述組合物擠出加工成直徑為1.75mm的細絲，直徑誤差在5％以內，所述雙螺桿擠出機的螺桿的長徑比為40；或者，采用單螺桿擠出機將所述組合物擠出加工成直徑為3.0mm的細絲，直徑誤差在5％以內，所述單螺桿擠出機的螺桿直徑為70mm，長徑比為25。

將所述復合線材用于熔融沉積成型(FDM)3D打印機，打印機擠出頭溫度為200℃，熱床溫度80℃。具體地：將上述復合線材通過送絲裝置送進基于熔融沉積成型(FDM)工藝的3D打印機噴頭，在噴頭內被加熱熔化并擠出，熔融的上述復合線材被擠出后迅速固化形成固化薄層，經層層堆積制成所述制品。

結果表明：打印過程流暢，打印制品表面光潔，固化收縮率小，尺寸穩(wěn)定且力學性能優(yōu)良，其中拉伸強度較同工藝下的純ABS樹脂制品增強超過50％。

實施例2

將尼龍66聚合物100重量份，短切碳纖維(長徑比約10～30)30重量份，偶聯(lián)劑3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)3重量份，抗氧化劑2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚0.3重量份混合，經雙螺桿擠出機或單螺桿擠出機擠出制成本發(fā)明的復合線材。

所述的復合線材的熔融擠出工藝為：采用雙螺桿擠出機將所述組合物擠出加工成直徑為1.75mm的細絲，直徑誤差在5％以內，所述雙螺桿擠出機的螺桿的長徑比為40；或者，采用單螺桿擠出機將所述組合物擠出加工成直徑為3.0mm的細絲，直徑誤差在5％以內，所述單螺桿擠出機的螺桿直徑為70mm，長徑比為25。

將所述復合線材用于熔融沉積成型(FDM)3D打印機，打印機擠出頭溫度為240℃，熱床溫度90℃。具體地：將上述復合線材通過送絲裝置送進基于熔融沉積成型(FDM)工藝的3D打印機噴頭，在噴頭內被加熱熔化并擠出，熔融的上述復合線材被擠出后迅速固化形成固化薄層，經層層堆積制成所述制品。

結果表明：打印過程流暢，打印制品表面光潔，固化收縮率小，尺寸穩(wěn)定且力學性能優(yōu)良，其中拉伸強度較同工藝下的純尼龍66制品增強超過60％。

實施例3

將尼龍66聚合物100重量份，短切碳纖維(長徑比約10～30)45重量份，偶聯(lián)劑3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)5重量份，抗氧化劑2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚0.5重量份混合，經雙螺桿擠出機或單螺桿擠出機擠出制成本發(fā)明的復合線材。

所述的復合線材的熔融擠出工藝為：采用雙螺桿擠出機將所述組合物擠出加工成直徑為1.75mm的細絲，直徑誤差在5％以內，所述雙螺桿擠出機的螺桿的長徑比為40；或者，采用單螺桿擠出機將所述組合物擠出加工成直徑為3.0mm的細絲，直徑誤差在5％以內，所述單螺桿擠出機的螺桿直徑為70mm，長徑比為25。

所述復合線材用于熔融沉積成型(FDM)3D打印機，打印機擠出頭溫度為250℃，熱床溫度85℃。具體地：將上述復合線材通過送絲裝置送進基于熔融沉積成型(FDM)工藝的3D打印機噴頭，在噴頭內被加熱熔化并擠出，熔融的上述復合線材被擠出后迅速固化形成固化薄層，經層層堆積制成所述制品。

結果表明：打印過程流暢，打印制品表面光潔，固化收縮率小，尺寸穩(wěn)定且力學性能優(yōu)良，其中拉伸強度較同工藝下的純尼龍66制品增強超過75％。

以上，對本發(fā)明的實施方式進行了說明。但是，本發(fā)明不限定于上述實施方式。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。