Ultimativer Leitfaden für 3DP-Prozessmaterialien

Die für das 3D-Druckverfahren (3DP) benötigten Materialien bestehen hauptsächlich aus Pulvermaterialien und Bindemitteln.

1. Pulverförmige Materialien

i. Leistungsanforderungen

Basierend auf den Funktionsprinzipien der 3DP müssen die Pulvermaterialien eine gute Formbarkeit, eine hohe Formfestigkeit, eine geringe Partikelgröße, eine geringe Neigung zur Agglomeration, eine gute Fließfähigkeit, eine geeignete Dichte und Porosität sowie eine schnelle Trocknung und Aushärtung aufweisen. Unter diesen Eigenschaften ist die Partikelgröße besonders wichtig.

Kleinere Partikel bieten stärkere Van-der-Waals-Kräfte zwischen ihnen, haben aber eine schlechtere Fließfähigkeit und neigen zur Staubbildung, die den Druckkopf verstopfen kann. Größere Partikel haben eine bessere Fließfähigkeit, können aber die Druckpräzision der Form beeinträchtigen. Die Partikelgröße des Pulvers kann je nach verwendetem Druckertyp und Betriebsbedingungen zwischen 1μm und 100μm liegen.

Zu den Pulvern, die im 3DP-Verfahren verwendet werden können, gehören Gipspulver, Stärke, Keramikpulver, Metallpulver, thermoplastische Materialien und andere Pulver mit geeigneten Partikelgrößen.

ii. Zusammensetzung des Pulvers

Pulverförmige Materialien bestehen aus Füllstoffen, Bindemitteln und Zusatzstoffen.

a. Füllstoffe: Optionen wie Quarzsand, Keramikpulver, Gipspulver, Polymerpulver (z. B. Polymethylmethacrylat, Polyoxymethylen, Polystyrol, Polyethylen, Paraffin usw.), Metalloxidpulver und Stärke können als Hauptbestandteil des Pulvermaterials verwendet werden. Diese Füllstoffe erhöhen die Festigkeit der Teile und helfen, die Verformung nach der binderinduzierten Formgebung zu kontrollieren.

b. Bindemittel: Die Zugabe von pulverförmigen Bindemitteln kann die Bildung Festigkeit des Pulvers. Polyvinylalkohol, Zellulose (z. B. polymerisierte Zellulose, Siliziumkarbid-Zellulose, Graphit-Zellulose, Aluminiumsilikat-Zellulose usw.) und Maltodextrin können als Verstärkungsmittel dienen. Die Länge der Zellulose sollte jedoch geringer sein als die Höhenverringerung des Pulverbettes während des Drucks.

Der Zusatz von kolloidalem Siliziumdioxid trägt dazu bei, dass das flüssige Bindemittel bei Kontakt mit dem Pulver schnell geliert, was die Druckeffizienz erhöht.

c. Zusatzstoffe: Neben Füllstoffen und Bindemitteln sind verschiedene Pulverzusatzstoffe erforderlich, um die Leistung anzupassen. Feste Gleitmittel wie Aluminiumoxidpulver, lösliche Stärke und Talkumpuder können die Fließfähigkeit des Pulvers verbessern und das Auftragen dünner und gleichmäßiger Schichten erleichtern. Die Zugabe von kleinen, hochdichten Partikeln wie Siliziumdioxid kann die Dichte des Pulvers erhöhen und die Porosität verringern, wodurch ein übermäßiges Eindringen des Bindemittels während des Drucks verhindert wird.

Durch die Zugabe von Lecithin kann die Staubbildung kleiner Partikel minimiert und die Stabilität der Druckform erhalten werden. Außerdem ist es wichtig, das Pulver richtig zu dispergieren, um eine Agglomeration aufgrund kleiner Partikelgrößen zu verhindern.

d. Vorbereitung: Neben dem einfachen Mischen können Füllstoffe und Bindemittel auch beschichtet werden. Durch Beschichten der Füllstoffe mit einem Bindemittel (z. B. Polyvinylpyrrolidon) und Trocknen können die beiden Komponenten gleichmäßiger im Pulvermaterial verteilt werden, was eine gleichmäßige Penetration des ausgestoßenen Bindemittels ermöglicht. Alternativ können die Füllstoffe für die Beschichtung in zwei Portionen aufgeteilt werden: eine mit einem Bindemittel auf Säurebasis und die andere mit einem Bindemittel auf Basenbasis.

Wenn die beiden durch ein Medium zusammenkommen, können sie schnell reagieren und eine Form bilden. Durch die Beschichtung wird auch die Reibung zwischen den Partikeln wirksam verringert, was ihre Fließfähigkeit verbessert. Es ist jedoch wichtig, dass die Beschichtung sehr dünn ist, zwischen 0,1 und 1,0 μm.

2. Haftvermittler

① Leistungsanforderungen

a. Geeignete Viskosität.

Klebstoffe müssen eine geeignete Viskosität aufweisen, um die Bildung einzelner Tröpfchen zu gewährleisten, die sich von der Düse des Druckkopfes ablösen können. Für den piezoelektrischen Druckkopf SEIKO1020 beträgt der empfohlene Viskositätsbereich für Haftmittel 8-12 mPa-s.

b. Geeignete Oberflächenspannung.

Die Oberflächenspannung sollte angemessen sein, um eine gute Wechselwirkung zwischen dem Klebstoff und dem Pulver zu fördern und eine wirksame Benetzung zu gewährleisten.

c. Ausreichende Klebekraft.

Die Klebemittel müssen eine ausreichende Haftkraft aufweisen, um die Integrität der ursprünglichen gedruckten Struktur zu gewährleisten.

d. Nicht korrosiv.

Normalerweise werden flüssige Klebstoffe durch Metalldruckköpfe ausgestoßen und sollten keine Korrosion verursachen.

e. Ungiftig und umweltfreundlich.

Sie sollten den nationalen oder einschlägigen organisatorischen Umweltvorschriften entsprechen, frei von flüchtigen Gerüchen sein, keine toxischen Nebenwirkungen haben, umweltfreundlich sein und sich besonders für Büroumgebungen eignen.

f. Saubere Verbrennungseigenschaften.

Bei Metallpulveranwendungen müssen die Klebstoffe in der Regel gesintert und nachbearbeitet werden. Sie sollten saubere Verbrennungseigenschaften, minimale Ascherückstände und keine Emissionen toxischer Nebenprodukte aufweisen.

g. Stabilität.

Die vorgenannten Eigenschaften sollten stabil bleiben, um die langfristige Lagerung zu erleichtern und eine gleichbleibende Produktqualität zwischen den einzelnen Chargen zu gewährleisten.

② Hauptkomponenten

Natürlich bestehen Flüssigklebstoffe in erster Linie aus einem Basismedium und Lösungsmitteln. Darüber hinaus müssen sie Feuchthaltemittel, schnelltrocknende Mittel, Gleitmittel, Gerinnungsmittel, Fließverbesserer, pH-Wert-Einsteller und andere Zusatzstoffe (wie Farbstoffe, Entschäumer) enthalten, von denen keiner mit dem Material des Druckkopfes reagieren darf.

Feuchthaltemittel wie Polyethylenglykol und Glycerin tragen beispielsweise dazu bei, die Feuchtigkeit zu binden, was die langfristige stabile Lagerung der Klebstoffe erleichtert, und Glycerin dient auch als Schmiermittel, um das Verstopfen des Druckkopfes zu verringern. Lösungen mit niedrigem Siedepunkt wie Ethanol und Methanol können hinzugefügt werden, um die Verdampfungsgeschwindigkeit von überschüssigem Klebstoff zu erhöhen.

Bei pulverförmigen Materialien, die kolloidales Siliziumdioxid oder ähnliche Stoffe als Geliermittel verwenden, können Zusätze wie Zitronensäure als Koagulierungsmittel eingesetzt werden, um die Bindungswirkung zu verbessern. Geringe Mengen anderer Lösungsmittel (z. B. Methanol) oder die Zugabe von organischen Verbindungen mit unterschiedlichem Molekulargewicht können verwendet werden, um die Oberflächenspannung und Viskosität an die Anforderungen des Druckkopfs anzupassen.

Die Oberflächenspannung und die Viskosität haben großen Einfluss auf die Bildung von Tröpfchen während des Druckvorgangs; die richtige Tröpfchenform und -größe wirkt sich direkt auf die Präzision des Druckvorgangs aus. Um die Fließfähigkeit von flüssigen Klebstoffen zu verbessern, können Verbindungen wie Diethylenglykolbutylether, Polyethylenglykol, Kaliumaluminiumsulfat, Aceton und Natriumpolyacrylat als Fließverbesserer zugesetzt werden, um die Druckgeschwindigkeit zu beschleunigen.

Für Klebemittel mit spezifischen pH-Anforderungen können Triethanolamin, Tetramethylammoniumhydroxid, Zitronensäure und andere verwendet werden, um den pH-Wert auf ein optimales Niveau einzustellen.

Farbstoffe, die sich gleichmäßig verteilen, können aus ästhetischen Gründen oder aufgrund von Produktanforderungen während des Druckvorgangs hinzugefügt werden. Es ist wichtig zu beachten, dass die Menge der Zusatzstoffe begrenzt sein sollte, im Allgemeinen weniger als 10% nach Massenanteil, da eine übermäßige Menge das Ergebnis des gedruckten Pulvers und die mechanische Leistung des Druckkopfs beeinträchtigen kann.

③ Haupttypen

Die in 3DP-Prozessen verwendeten Klebstoffe können auf verschiedene Weise klassifiziert werden.

a. Unter dem Gesichtspunkt der Materialeigenschaften können sie in organische und anorganische Klebstoffe unterteilt werden. Organische Klebstoffe binden Pulvermaterialien durch Aushärtung, während anorganische Klebstoffe durch kolloidale Gelierung binden.

b. Unter dem Gesichtspunkt der chemischen Reaktion lassen sie sich in saure und basische Klebstoffe, Metallsalzklebstoffe und Lösungsmittelklebstoffe unterteilen. Saure und basische Haftvermittler binden Pulvermaterialien durch chemische Säure-Base-Reaktionen, Metallsalz-Haftvermittler binden durch Salzrekristallisation, Reduktion oder Verdrängungsreaktionen, und Lösungsmittel-Haftvermittler wirken in erster Linie auf Polymerpulver, indem sie die aufgesprühten oder abgelagerten Bereiche auflösen und beim Verdunsten des Lösungsmittels spezifische Strukturen bilden.

c. Hinsichtlich des Bindungsmechanismus lassen sie sich in Pulverbettklebstoffe, Phasenwechselklebstoffe und sinterungshemmende Klebstoffe unterteilen. Pulverbettklebstoffe verbinden sich im Gegensatz zu den üblichen Flüssigklebstoffen mit dem Pulverbett durch die Wirkung der über die Düse versprühten Flüssigkeit. Phasenwechselklebstoffe binden Pulver durch die Verfestigung des Klebstoffs zusammen, während sinterungshemmende Klebstoffe den Sinterbereich durch selektives Aufsprühen von Isoliermaterialien steuern können.

Diese drei Klassifizierungsmethoden sind in Tabelle 5-3 dargestellt.

Tabelle 5-33 Arten von Bindemitteln für das DP-Verfahren

Flüssige Bindemittel können auch nach ihrer Wechselwirkung mit pulverförmigen Materialien in drei Typen eingeteilt werden:

1. Flüssige Bindemittel, die selbst nicht binden, sondern nur als Bindemittel für die Pulvermaterialien dienen. Sie verflüchtigen sich nach dem Druck fast vollständig und eignen sich für selbstreagierende, härtende Pulvermaterialien wie Chloroform, Ethanol usw.

2. Flüssige Bindemittel, die mit pulverförmigen Stoffen reagieren, die in der Regel einen anderen Säuregehalt haben als die pulverförmigen Stoffe, können durch die Reaktion eine Bindung bewirken. Zum Beispiel können Pulver, die hauptsächlich aus Aluminiumoxid bestehen, durch Besprühen mit einem sauren Bindemittel verfestigt werden.

Die am häufigsten verwendeten Bindemittel auf Wasserbasis, die Wasser als Hauptbestandteil enthalten, können ein Medium und Wasserstoffbrückenbindungen im Wasser bereitstellen, so dass Gips, Zement und andere pulverförmige Materialien durch Wasserstoffbrückenbindungen gelieren und sich nach der Bildung verflüchtigen. Bei Metallpulvern werden dem Bindemittel häufig Metallsalze zugesetzt, um eine Reaktion einzuleiten.

3. Flüssige Bindemittel, die teilweise selbst binden, enthalten Substanzen, die sich bei Zugabe zu einem flüssigen Lösungsmittel binden und nach dem Verdampfen des Lösungsmittels wichtige Bindemittel zurücklassen. Zu den üblichen Bindemittelzusätzen gehören Butyraldehydharz, Polyvinylchlorid, Polycarbosilan, Polyvinylpyrrolidon und andere Polymere.

Zu den kompatiblen flüssigen Lösungsmitteln für diese Bindemittel gehören Wasser, Aceton, Essigsäure, Ethylacetoacetat usw., wobei Bindemittel auf Wasserbasis derzeit am beliebtesten sind.