Les matériaux nécessaires au processus d'impression 3D (3DP) se composent principalement de poudres et de liants. 1. Matériaux en poudre i. Exigences en matière de performances Sur la base des principes de fonctionnement de l'impression 3D, les matériaux en poudre doivent présenter une bonne aptitude au moulage, une résistance élevée à la déformation, des particules de petite taille, une faible tendance à l'agglomération, une bonne fluidité, une densité et une porosité appropriées, et une rapidité [...]
Les matériaux nécessaires au processus d'impression 3D (3DP) se composent principalement de poudres et de liants.
Selon les principes de fonctionnement du 3DP, les matériaux en poudre doivent avoir une bonne aptitude au moulage, une grande résistance au formage, une petite taille de particule, une faible tendance à s'agglomérer, une bonne fluidité, une densité et une porosité appropriées, ainsi qu'un séchage et un durcissement rapides. Parmi ces propriétés, la taille des particules est particulièrement importante.
Les particules plus petites ont des forces de van der Waals plus fortes entre elles mais ont une moins bonne fluidité et sont sujettes au saupoudrage, ce qui peut obstruer la tête d'impression. Les particules plus grosses ont une meilleure fluidité mais peuvent compromettre la précision d'impression du moule. La taille des particules de la poudre peut varier de 1μm à 100μm en fonction du type d'imprimante utilisé et des conditions de fonctionnement.
Les poudres qui peuvent être utilisées dans le processus 3DP comprennent la poudre de gypse, l'amidon, la poudre de céramique, la poudre de métal, les matériaux thermoplastiques et d'autres poudres dont la taille des particules est appropriée.
Les matériaux en poudre comprennent des charges, des liants et des additifs.
a. Produits de remplissage : Des options telles que le sable de quartz, la poudre de céramique, la poudre de gypse, la poudre de polymère (par exemple, le polyméthacrylate de méthyle, le polyoxyméthylène, le polystyrène, le polyéthylène, la paraffine, etc. ), la poudre d'oxyde métallique et l'amidon peuvent être utilisés comme corps principal du matériau en poudre. Ces charges renforcent la résistance des pièces et aident à contrôler la déformation après la mise en forme induite par le liant.
b. Classeurs : L'inclusion de liants sous forme de poudre peut améliorer la qualité du produit. former la force de la poudre. L'alcool polyvinylique, la cellulose (telle que la cellulose polymérisée, la cellulose de carbure de silicium, la cellulose de graphite, la cellulose de silicate d'aluminium, etc. ) et la maltodextrine peuvent servir d'agents de renforcement. Toutefois, la longueur de la cellulose doit être inférieure à la réduction de la hauteur du lit de poudre pendant l'impression.
L'ajout de silice colloïdale permet au liant liquide de se gélifier rapidement au contact de la poudre, ce qui augmente l'efficacité de l'impression.
c. Additifs : Outre les charges et les liants, divers additifs pour poudres sont nécessaires pour ajuster les performances. Les lubrifiants solides tels que la poudre d'oxyde d'aluminium, l'amidon soluble et le talc peuvent améliorer la fluidité de la poudre, facilitant ainsi l'application de couches fines et régulières. L'ajout de petites particules de haute densité comme la silice peut augmenter la densité de la poudre et réduire la porosité, empêchant ainsi une pénétration excessive du liant pendant l'impression.
L'ajout de lécithine permet de minimiser l'empoussièrement des petites particules et de maintenir la stabilité de la forme de l'impression. En outre, il est essentiel de disperser correctement la poudre pour éviter l'agglomération due à la petite taille des particules.
d. Préparation : Au-delà du simple mélange, les charges et les liants peuvent également être enrobés. En enrobant les charges d'un liant (tel que la polyvinylpyrrolidone) et en les séchant, les deux composants peuvent être dispersés plus uniformément dans le matériau en poudre, ce qui permet une pénétration uniforme du liant éjecté. Les charges peuvent également être divisées en deux parties pour être enduites : l'une avec un liant à base d'acide et l'autre avec un liant à base de base.
Lorsque les deux se rencontrent à travers un milieu, ils peuvent réagir rapidement pour former une forme. L'enrobage réduit aussi efficacement le frottement entre les particules, ce qui améliore leur fluidité. Cependant, il est important que le revêtement soit très fin, de l'ordre de 0,1 à 1,0μm.
Les agents adhésifs doivent avoir une viscosité appropriée pour assurer la formation de gouttelettes individuelles qui peuvent se détacher de la buse de la tête d'impression. Pour la tête d'impression piézoélectrique SEIKO1020, la plage de viscosité recommandée pour les agents adhésifs est de 8 à 12 mPa-s.
La tension superficielle doit être appropriée pour favoriser une bonne interaction entre l'agent adhésif et la poudre, assurant ainsi un mouillage efficace.
Les agents adhésifs doivent posséder une force d'adhérence suffisante pour garantir l'intégrité de la structure imprimée initiale.
En règle générale, les agents adhésifs liquides sont éjectés à travers les têtes d'impression métalliques et ne devraient pas provoquer de corrosion.
Ils doivent être conformes aux réglementations nationales ou organisationnelles pertinentes en matière d'environnement, être exempts d'odeurs volatiles, ne pas avoir d'effets secondaires toxiques, être respectueux de l'environnement et particulièrement adaptés aux environnements de bureau.
Pour les applications de poudres métalliques, les agents adhésifs doivent généralement être frittés et éliminés après le traitement. Ils doivent avoir des propriétés de combustion propres, un minimum de résidus de cendres et aucune émission de sous-produits toxiques.
Les propriétés susmentionnées doivent rester stables pour faciliter le stockage à long terme et garantir une qualité constante du produit d'un lot à l'autre.
Il est clair que les agents adhésifs liquides se composent principalement d'une base et de solvants. En outre, ils doivent comprendre des humectants, des agents à séchage rapide, des lubrifiants, des coagulants, des améliorateurs de flux, des ajusteurs de pH et d'autres additifs (tels que des colorants, des antimousses), dont aucun ne doit réagir avec le matériau de la tête d'impression.
Par exemple, les humectants comme le polyéthylène glycol et le glycérol aident à retenir l'humidité, facilitant ainsi le stockage stable à long terme des agents adhésifs, et le glycérol sert également de lubrifiant pour réduire le colmatage de la tête d'impression. Des solutions à bas point d'ébullition telles que l'éthanol et le méthanol peuvent être ajoutées pour augmenter la vitesse d'évaporation de l'excès d'adhésif.
Pour les matériaux en poudre qui utilisent de la silice colloïdale ou des substances similaires comme gélifiants, des additifs tels que l'acide citrique peuvent être introduits comme coagulants pour améliorer l'efficacité du collage. De petites quantités d'autres solvants (comme le méthanol) ou l'ajout de composés organiques de poids moléculaire variable peuvent être utilisés pour ajuster la tension superficielle et la viscosité afin de répondre aux exigences de la tête d'impression.
La tension superficielle et la viscosité affectent grandement la formation de gouttelettes pendant l'impression ; la forme et la taille correctes des gouttelettes ont un impact direct sur la précision du processus d'impression. Pour améliorer la fluidité des agents adhésifs liquides, des composés tels que l'éther butylique du diéthylène glycol, le polyéthylène glycol, le sulfate d'aluminium et de potassium, l'acétone et le polyacrylate de sodium peuvent être ajoutés en tant qu'accélérateurs de fluidité pour accélérer la vitesse d'impression.
Pour les agents adhésifs ayant des exigences spécifiques en matière de pH, la triéthanolamine, l'hydroxyde de tétraméthylammonium, l'acide citrique et d'autres peuvent être utilisés pour ajuster le pH à des niveaux optimaux.
Des colorants qui se dispersent uniformément peuvent être ajoutés à des fins esthétiques ou pour répondre aux exigences du produit pendant le processus d'impression. Il est important de noter que la quantité d'additifs doit être limitée, généralement inférieure à 10% en fraction de masse, car une quantité excessive peut affecter le résultat de la poudre imprimée et les performances mécaniques de la tête d'impression.
Les agents adhésifs utilisés dans les processus 3DP peuvent être classés de plusieurs manières.
a. Du point de vue des propriétés des matériaux, ils peuvent être classés en agents adhésifs organiques et inorganiques. Les agents adhésifs organiques lient les matériaux en poudre par durcissement, tandis que les agents adhésifs inorganiques le font par gélification colloïdale.
b. Du point de vue des réactions chimiques, ils peuvent être divisés en agents adhésifs acides et basiques, en agents adhésifs à base de sels métalliques et en agents adhésifs à base de solvants. Les agents adhésifs acides et basiques lient les matériaux en poudre par des réactions chimiques acido-basiques, les agents adhésifs à base de sels métalliques par des réactions de recristallisation, de réduction ou de déplacement des sels, et les agents adhésifs à base de solvants agissent principalement sur les poudres de polymères, dissolvant les zones pulvérisées ou déposées et formant des structures spécifiques lors de l'évaporation du solvant.
c. Du point de vue du mécanisme de liaison, on peut distinguer les agents adhésifs pour lit de poudre, les agents adhésifs à changement de phase et les agents adhésifs inhibiteurs de frittage. Les agents adhésifs pour lit de poudre, différents des agents adhésifs liquides standard, se lient au lit de poudre par l'action du liquide pulvérisé par la buse. Les agents adhésifs à changement de phase lient les poudres entre elles par la solidification de l'adhésif, tandis que les agents adhésifs inhibiteurs de frittage peuvent contrôler la zone de frittage en pulvérisant sélectivement des matériaux isolants.
Ces trois méthodes de classification sont présentées dans le tableau 5-3.
Tableau 5-33 Types de liants pour le procédé DP
| Type de classeur | Matériaux applicables | Avantages | Inconvénients | ||
| Classification par Propriétés des matériaux | Liant organique | Polyéthylène, résine butyraldéhyde, résine phénolique | Convient à la plupart des matériaux non frittés : facile à enlever avec un minimum de résidus. | Risque d'obstruction des buses. | |
| Liant inorganique | Nitrate d'aluminium, silice colloïdale | Chauffe l'ensemble du lit de poudre après l'impression, en liant la poudre en plusieurs parties. | Ne réagit pas immédiatement avec la poudre après le dépôt. | ||
| Classification par type de réaction chimique | Liant acide-base | 10% Acide phosphorique et acide citrique, polyvinylpyrrolidone | Presque aucun résidu après traitement thermique. | Limité à quelques poudres. | |
| Liant de sel métallique | Nitrates, silicates, phosphates | Utilise les réactions de recristallisation, de réduction et de déplacement pour la liaison. | La poudre libre doit résister à la réduction thermique pendant le processus de réduction du sel. | ||
| Liant à base de solvant | Chloroforme | Grande pureté des pièces. | Couramment utilisé pour les polymères. | ||
| Classification par mécanisme de liaison | Liant pour lit de poudre | Ciment, gypse | Non spécifique à certaines poudres, complètement éliminé à haute température : simple dépôt liquide. | Étapes d'optimisation complexes. | |
| Liant à changement de phase | Diméthylpropane | Applicable à la plupart des poudres. | Restrictions de chauffage après l'impression. | ||
| Inhibiteurs de frittage | Matériaux isolants, oxydants chimiques, etc. | Limites des parties pulvérisées. | L'excès de poudre contamine les pièces. | ||
Les liants liquides peuvent également être classés en fonction de leur interaction avec les matériaux en poudre, selon trois types :
1. Les liants liquides qui ne se lient pas d'eux-mêmes, servant uniquement de support pour lier les matériaux en poudre. Ils se volatilisent presque complètement après l'impression et conviennent aux matériaux en poudre durcissant par réaction spontanée, tels que le chloroforme, l'éthanol, etc.
2. Les liants liquides qui réagissent avec les matériaux en poudre, généralement d'une acidité différente de celle des matériaux en poudre, peuvent assurer la liaison par la réaction. Par exemple, les poudres composées principalement d'alumine peuvent être solidifiées par pulvérisation d'un liant acide.
Les liants à base d'eau les plus couramment utilisés, contenant de l'eau comme composant principal, peuvent fournir un milieu et des liaisons hydrogène dans l'eau, permettant au gypse, au ciment et à d'autres matériaux en poudre de se gélifier par liaison hydrogène, et de se volatiliser après formation. Pour les poudres métalliques, des sels métalliques sont souvent ajoutés au liant pour induire une réaction.
3. Les liants liquides qui se lient partiellement par eux-mêmes contiennent des substances qui se lient lorsqu'elles sont ajoutées à un solvant liquide, laissant les principaux matériaux de liaison après l'évaporation du solvant. Les additifs courants pour la liaison comprennent la résine de butyraldéhyde, le chlorure de polyvinyle, le polycarbosilane, le polyvinylpyrrolidone et d'autres polymères.
Les solvants liquides compatibles avec ces substances liantes sont l'eau, l'acétone, l'acide acétique, l'acétoacétate d'éthyle, etc.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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