Los materiales necesarios para el proceso de impresión 3D (3DP) consisten principalmente en materiales en polvo y aglutinantes.
1. Materiales en polvo
I. Requisitos de desempeño
Según los principios operativos de 3DP, los materiales en polvo deben poseer buena moldeabilidad, alta resistencia al conformado, tamaño de partícula pequeño, baja tendencia a aglomerarse, buena fluidez, densidad y porosidad adecuadas, y secado y endurecimiento rápidos. Entre estas propiedades, el tamaño de las partículas es particularmente crucial.
Las partículas más pequeñas proporcionan fuerzas de Van der Waals más fuertes entre ellas, pero tienen menos fluidez y son propensas a formar polvo, que puede obstruir el cabezal de impresión. Las partículas más grandes tienen mejor fluidez, pero pueden comprometer la precisión de la impresión del molde. El tamaño de las partículas de polvo puede variar de 1 μm a 100 μm según el tipo de impresora utilizada y las condiciones de funcionamiento.
Los polvos que se pueden utilizar en el proceso 3DP incluyen polvo de yeso, almidón, polvo cerámico, polvo metálico, materiales termoplásticos y otros polvos con tamaños de partículas adecuados.
ii. Composición del polvo
Los materiales en polvo comprenden cargas, aglutinantes y aditivos.
El. Rellenos: Se pueden utilizar opciones como arena de cuarzo, polvo cerámico, polvo de yeso, polvo de polímero (por ejemplo, metacrilato de polimetilo, polioximetileno, poliestireno, polietileno, parafina, etc.), polvo de óxido metálico y almidón como cuerpo principal del material en polvo. Estos rellenos aumentan la resistencia de las piezas y ayudan a controlar la deformación después del conformado inducido por el aglutinante.
B. Aglutinantes: La inclusión de aglutinantes en polvo puede aumentar la resistencia a la formación de polvo. Como agentes de refuerzo pueden servir alcohol polivinílico, celulosa (tal como celulosa polimerizada, celulosa de carburo de silicio, celulosa de grafito, celulosa de silicato de aluminio, etc.) y maltodextrina. Sin embargo, la longitud de la pulpa debe ser menor que la reducción de la altura del lecho de polvo durante la impresión.
La adición de sílice coloidal ayuda a que el aglutinante líquido se gelifique rápidamente cuando entra en contacto con el polvo, lo que aumenta la eficiencia de la impresión.
w. Aditivos: Además de los rellenos y aglutinantes, se requieren varios aditivos en polvo para ajustar el rendimiento. Los lubricantes sólidos como el polvo de óxido de aluminio, el almidón soluble y el talco pueden mejorar la fluidez del polvo, facilitando la aplicación de capas finas y uniformes. La adición de partículas pequeñas de alta densidad, como la sílice, puede aumentar la densidad del polvo y reducir la porosidad, evitando la penetración excesiva del aglutinante durante la impresión.
La adición de lecitina puede minimizar la formación de pequeñas partículas y mantener la estabilidad del formato de impresión. Además, es fundamental dispersar adecuadamente el polvo para evitar la aglomeración debido al pequeño tamaño de las partículas.
d. Preparación: Además de una simple mezcla, también se pueden recubrir masillas y aglutinantes. Al recubrir las cargas con un aglutinante (como polivinilpirrolidona) y secar, los dos componentes se pueden dispersar más uniformemente en el material en polvo, permitiendo una penetración uniforme del aglutinante expulsado. Alternativamente, las cargas se pueden dividir en dos porciones para el recubrimiento: una con un aglutinante de base ácida y la otra con un aglutinante de base.
Cuando los dos se encuentran a través de un medio, pueden reaccionar rápidamente para formar una forma. El recubrimiento también reduce eficazmente la fricción entre partículas, mejorando su fluidez. Sin embargo, es importante que el recubrimiento sea muy fino, entre 0,1 y 1,0 μm.
2. Agentes adhesivos
① Requisitos de rendimiento
El. Viscosidad adecuada.
Los agentes adhesivos deben tener una viscosidad adecuada para garantizar la formación de gotas individuales que puedan desprenderse de la boquilla del cabezal de impresión. Para el cabezal de impresión piezoeléctrico SEIKO1020, el rango de viscosidad recomendado para los agentes adhesivos es de 8 a 12 mPa·s.
B. Tensión superficial adecuada.
La tensión superficial debe ser adecuada para promover una buena interacción entre el agente adhesivo y el polvo, asegurando una humectación eficaz.
w. Fuerza de unión suficiente.
Los agentes adhesivos deben tener suficiente fuerza de unión para garantizar la integridad de la estructura impresa inicial.
d. No corrosivo.
Normalmente, los adhesivos líquidos se expulsan a través de cabezales de impresión metálicos y no deberían provocar corrosión.
Es. No tóxico y respetuoso con el medio ambiente.
Deben cumplir con las regulaciones medioambientales nacionales u organizativas pertinentes, estar libres de olores volátiles, no tener efectos secundarios tóxicos, ser respetuosos con el medio ambiente y especialmente adecuados para entornos de oficina.
F. Características de combustión limpia.
Para aplicaciones de polvo metálico, los agentes adhesivos generalmente requieren sinterización y eliminación posteriores al procesamiento. Deben tener propiedades de combustión limpia, un mínimo de residuos de cenizas y ninguna emisión de subproductos tóxicos.
gramo. Estabilidad.
Las propiedades antes mencionadas deben permanecer estables para facilitar el almacenamiento a largo plazo y garantizar una calidad constante del producto entre lotes.
② Componentes principales
Claramente, los agentes adhesivos líquidos consisten principalmente en un medio base y disolventes. Además, deben incluir humectantes, agentes de secado rápido, lubricantes, coagulantes, mejoradores de flujo, ajustadores de pH y otros aditivos (como tintes, antiespumantes), ninguno de los cuales debe reaccionar con el material del cabezal de impresión.
Por ejemplo, los humectantes como el polietilenglicol y el glicerol ayudan a retener la humedad, lo que facilita el almacenamiento estable a largo plazo de los agentes adhesivos, y el glicerol también sirve como lubricante para reducir la obstrucción del cabezal de impresión. Se pueden agregar soluciones de bajo punto de ebullición, como etanol y metanol, para aumentar la velocidad de evaporación del exceso de adhesivo.
Para materiales en polvo que utilizan sílice coloidal o sustancias similares como agentes gelificantes, se pueden introducir aditivos como el ácido cítrico como coagulantes para aumentar la eficacia de la unión. Se pueden usar pequeñas cantidades de otros solventes (como metanol) o la adición de compuestos orgánicos de diferentes pesos moleculares para ajustar la tensión superficial y la viscosidad para cumplir con los requisitos del cabezal de impresión.
La tensión superficial y la viscosidad afectan en gran medida la formación de gotas durante la impresión; La forma y el tamaño correctos de las gotas afectan directamente la precisión del proceso de impresión. Para mejorar la fluidez de los agentes adhesivos líquidos, se pueden agregar compuestos como dietilenglicol butil éter, polietilenglicol, sulfato de potasio y aluminio, acetona y poliacrilato de sodio como mejoradores del flujo para acelerar la velocidad de impresión.
Para aquellos agentes adhesivos con requisitos de pH específicos, se pueden usar trietanolamina, hidróxido de tetrametilamonio, ácido cítrico y otros para ajustar el pH a niveles ideales.
Se pueden agregar tintes que se dispersen uniformemente con fines estéticos o demandas del producto durante el proceso de impresión. Es importante recalcar que se debe limitar la cantidad de aditivos, generalmente menos del 10% por fracción de masa, ya que una cantidad excesiva puede afectar el resultado del polvo impreso y el rendimiento mecánico del cabezal de impresión.
③ Tipos principales
Los agentes adhesivos utilizados en los procesos 3DP se pueden clasificar de varias formas.
El. Desde el punto de vista de las propiedades del material, se pueden clasificar en agentes adhesivos orgánicos e inorgánicos. Los agentes adhesivos orgánicos unen materiales en polvo mediante curado, mientras que los agentes adhesivos inorgánicos se unen mediante gelificación coloidal.
B. Desde la perspectiva de la reacción química, se pueden dividir en agentes adhesivos ácidos y básicos, agentes adhesivos de sales metálicas y agentes adhesivos solventes. Los agentes adhesivos ácidos y básicos unen materiales en polvo mediante reacciones químicas ácido-base, los agentes adhesivos de sales metálicas se unen mediante reacciones de recristalización, reducción o desplazamiento de sal, y los agentes adhesivos solventes actúan principalmente sobre polvos poliméricos, disolviendo las áreas pulverizadas o depositadas y formando específicos. estructuras. después de la evaporación del disolvente.
w. Desde la perspectiva del mecanismo de unión, se pueden separar en agentes adhesivos de lecho en polvo, agentes adhesivos de cambio de fase y agentes adhesivos inhibidores de sinterización. Los agentes adhesivos en lecho de polvo, a diferencia de los agentes adhesivos líquidos estándar, se adhieren al lecho de polvo mediante la acción del líquido rociado a través de la boquilla. Los agentes adhesivos de cambio de fase unen los polvos solidificando el adhesivo, mientras que los agentes adhesivos inhibidores de la sinterización pueden controlar el área de sinterización pulverizando selectivamente materiales aislantes.
Estos tres métodos de clasificación se muestran en la Tabla 5-3.
Tabla 5-33 Tipos de aglutinantes para el proceso DP
| Tipo de carpeta | Materiales aplicables | Beneficios | Desventajas | ||
| Clasificación por propiedades de materiales. | Aglutinante orgánico | Polietileno, Resina de Butiraldehído, Resina Fenólica | Adecuado para la mayoría de materiales no sinterizados: fácil de quitar con un mínimo de residuos. | Propenso a obstruir las boquillas. | |
| Aglutinante inorgánico | Nitrato de aluminio, sílice coloidal | Calienta todo el lecho de polvo después de la impresión, uniendo el polvo en partes. | No reacciona inmediatamente con el polvo después de la deposición. | ||
| Clasificación por tipo de reacción química. | Aglutinante ácido-base | 10% de ácido fosfórico y ácido cítrico, polivinilpirrolidona | Casi no quedan residuos después del tratamiento térmico. | Limitado a unos pocos polvos. | |
| Pasta de sal metálica | Nitratos, Silicatos, Fosfatos | Utiliza reacciones de recristalización, reducción y desplazamiento para la unión. | El polvo suelto debe resistir la reducción térmica durante el proceso de reducción de sal. | ||
| Aglutinante a base de solvente | Cloroformo | Alta pureza de piezas. | Comúnmente utilizado para polímeros. | ||
| Clasificación por mecanismo de vinculación | Pasta de lecho en polvo | Yeso de cemento | No específico para determinados polvos, se elimina completamente a altas temperaturas: simple deposición líquida. | Pasos de optimización complejos. | |
| Pasta de cambio de fase | dimetilpropano | Aplicable a la mayoría de los polvos. | Restricciones de calentamiento después de la impresión. | ||
| Inhibidores de sinterización | Materiales aislantes, oxidantes químicos, etc. | Límites de las piezas pulverizadas. | El exceso de polvo contamina las piezas. | ||
Los aglutinantes líquidos también se pueden clasificar según su interacción con los materiales en polvo, dividiéndolos en tres tipos:
1. Aglutinantes líquidos que no se aglutinan por sí solos, sirviendo únicamente como medio para aglutinar materiales en polvo. Estos se volatilizan casi por completo después de la impresión, y son adecuados para materiales en polvo que se endurecen por reacción espontánea, como cloroformo, etanol, etc.
2. Los aglutinantes líquidos que reaccionan con materiales en polvo, generalmente con una acidez diferente a la de los materiales en polvo, pueden lograr la unión a través de la reacción. Por ejemplo, los polvos compuestos principalmente de alúmina se pueden solidificar mediante pulverización con un aglutinante ácido.
Los aglutinantes a base de agua más utilizados, que contienen agua como componente principal, pueden proporcionar un medio y enlaces de hidrógeno en el agua, lo que permite que el yeso, el cemento y otros materiales en polvo gelifiquen a través de enlaces de hidrógeno y se volatilicen después de la formación. En el caso de los polvos metálicos, a menudo se añaden sales metálicas al aglutinante para inducir una reacción.
3. Los aglutinantes líquidos que se unen parcialmente por sí solos contienen sustancias que se unen cuando se agregan a un solvente líquido, dejando materiales aglutinantes clave después de que el solvente se evapora. Los aditivos adhesivos comunes incluyen resina de butiraldehído, cloruro de polivinilo, policarbosilano, polivinilpirrolidona y otros polímeros.
Los disolventes líquidos compatibles para estas sustancias aglutinantes incluyen agua, acetona, ácido acético, acetoacetato de etilo, etc., siendo los aglutinantes a base de agua los más populares en la actualidad.
