一種新型竹塑復合3D打印材料及其制作方法與流程

本發明涉及3D打印材料技術領域，具體為一種新型竹塑復合3D打印材料及其制作方法。

背景技術：

當前，快速成型技術一般俗稱3D打印技術正在快速發展。快速原型制造技術，又叫快速成形技術，（Rapid Prototyping簡稱RP技術），RP技術是在現代CAD/CAM技術、激光技術、計算機數控技術、精密伺服驅動技術以及新材料技術的基礎上集成發展起來的。不同種類的快速成型系統因所用成形材料不同，成形原理和系統特點也各有不同。但是，其基本原理都是一樣的，那就是"分層制造，逐層疊加"。

熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，FDM）工藝，作為最常見的一種同步送料型工藝，也是繼光固化成型和疊層實體制造工藝后的另一種應用比較廣泛的快速成型工藝。熔融沉積成型工藝適合家用電器、辦公用品、模具行業新產品開發，以及用于假肢、醫學、醫療、大地測量、考古等基于數字成像技術的三維實體模型制造。該工藝無需激光系統，因而價格低廉，運行費用低且可靠性高。此外，該工藝在醫學領域的應用尤其具有獨特的優勢。FDM工藝的基本原理為打印軟件自動將三維模型（由CATIA或UG、PRO-E等三維設計軟件得到）分層，自動生成每層的模型成型路徑和必要的支撐路徑。熱融頭將PLA或ABS材料加熱至220℃成熔融狀態噴出，該溫度下熔融的ABS材料既可以有一定的流動性又能保證很好的精度。一層成型完成后，機器工作臺下降一個高度（即分層厚度）再成型下一層，如此直到工件完成。采用熔融沉積工藝的桌面式打印機因其價廉，安全，快速的特點而在普通用戶范圍內快速的普及。

隨著環保逐漸成為人們關注的材料特性，成本低、性能好并且具備一定的環境相容性的復合材料開始擁有更廣闊的市場前景。而近年來，天然植物纖維作為增強材料的優勢越來越受大眾的關注。因為它不僅具有資源豐富，價格低廉，密度比其他無機纖維都小，而模量和拉伸強度與無機纖維相近，同時還具有可反復加工、不易吸水受潮、可生物降解等特點。

竹塑復合材料作為一種環保可回收的綠色材料，正在逐漸體現出它的優勢，以竹代木是未來的發展方向。世界竹類植物有70多屬，1200多種，而中國作為世界上種類資源最豐富的國家，有約39屬，近500余種，有著“竹子王國”之稱。

竹木塑復合材料的優點：

（1）耐用，耐磨，使用壽命長，竹纖維經過表面處理，同時被高分子材料包覆，霉菌缺少滋生的環境，故不易生菌，不怕蟲蛀，不易腐燭；

（2）具有類似竹材的紋理及色澤，又比塑料硬度高。具有十分優良的物理性能，尺寸穩定性良好，不會產生裂縫與翅曲等損傷，沒有竹材的結癥和斜紋；吸濕性以及吸濕膨脹率都較低，不易吸濕變形，耐候性較強;耐老化，抗螺變性能較強;電絕緣性好；

（3）具有優良的化學性能，可耐酸堿、耐鹽水等化學品；

（4）具有較好的機械性能，有類似于竹材的可二次加工性，可將其切割、刨銑、粘接，可用釘子或螺栓進行連接或固定，產品的形狀與規格可以根據用戶要求進行調整，較靈活性，尺寸精確性良好；

（5）保留了熱塑性樹脂容易加工的性能，容易成型，可像熱塑性塑料一樣擠出、注塑、模壓，用普通的塑料加工設備或者將其稍加改造后便可進行成型加工。在加工設備上新投入的資金少，有利于推廣應用；

（6）可用于發泡成型，不僅節省原材料，簡化后加工程序，而且發泡制品隔音、隔熱性能也較好；

（7）無毒無異味，在建筑裝修施工中以及建成后長期使用過程中均不釋放甲酸等有害氣體，環境友好；

（8）使用后可重復使用以及回收再利用，還可以充分利用回收到的加工或使用過程中被廢棄的竹料及塑料，極大地提高了天然竹材資源和人造塑料的利用率，并能較好地解決廢棄竹料與塑料所造成的污染及垃圾處理問題；

（9）資源豐富，成本低廉，對維護工作的要求較低，維修所需的費用低。

FDM工藝一般使用的材料為PLA與ABS，PLA因其可降解的環保優勢而逐步成為市場主流，但實際可用的打印材料還是種類太少。而竹塑復合材料本身的性能難點，使得竹塑復合材料的應用受到了諸多限制，而應用在3D打印領域使得材料能避免它的劣勢，同時也拓展了它的應用范圍。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種新型竹塑復合3D打印材料，在塑料中摻入竹粉，混合擠出，可以替代PLA、ABS等塑料制品，適用于FDM工藝的桌面式打印機，擴大了竹材的使用范圍以及提供上述新型竹塑復合3D打印材料的制備方法，以解決上述現有材料缺少的問題，而提供的一種打印流暢，制作方便的新型竹塑復合3D打印材料絲材，此種材料為易降解的環保材料。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種新型竹塑復合3D打印材料，其原材料的重量配比為：樹脂30-70，竹粉15-30，潤滑劑 0.9-2.1，增塑劑 0.9-2.1，相容劑1.5-3。

優選的，所述潤滑劑選擇聚乙二醇、硬脂酸中的一種。

優選的，所述增塑劑選擇苯乙烯馬來酸酐共聚物、DOP、環氧大豆油、甘油、合成植物酯中的一種或多種。

優選的，所述相容劑選擇塑料用增溶劑CA-200。

優選的，外形呈卷絲狀或直線狀，通體呈棕色，表面光滑，平均密度1248kg/m3，邵氏硬度D84.62 ，彈性模量805MPa，拉伸強度28.88MPa，斷裂伸長率10.22%，熔融指數6-7g/10min。

一種新型竹塑復合3D打印材料絲材的制作方法，包括如下步驟：原材料的準備與處理、水分控制、試劑與原材料按配比混合、加熱熔融擠出、卷絲。

S1、原材料的準備與處理：可以通過購買相關的原材料，或者通過專業的制粉機器，將竹子相關的原材料加工成粉末狀，主要要求是竹粉的顆粒大小，后續可以通過試驗篩篩選顆粒的大小，本次采用的竹粉目數為180目到200目之間。PLA選用其余材料選用標準產品即可。

S2、水分控制：對竹粉，PLA進行一定程度的烘干操作，將殘存在材料中的水分蒸發，控制竹粉與PLA的含水率在0.5%以下。

S3、試劑與原材料混合：先將潤滑劑、增塑劑，相容劑與PLA混合，使試劑均勻的包覆PLA，竹粉包裹在PLA外側，再用攪拌裝置充分攪拌。

S4、加熱擠出：將混合的材料添加到異向雙螺桿擠出機中，控制好機器三段溫度，材料添加速度保持勻速流暢，保證在擠出過程中不產生堵塞，出絲穩定流暢。

S5、卷絲：通過加裝口模，確定出絲的粗細基本保持直徑為1.75mm，通過圓盤裝置繞絲收集成型絲材。

與現有技術相比，本發明的有益效果如下：

1、本發明通過在塑料中摻入竹粉，混合擠出，可以替代PLA、ABS等塑料制品，適用于FDM工藝的桌面式打印機，擴大了竹材的使用范圍。

2、本發明通過其制作方法，解決了上述現有材料缺少的問題，提供了一種打印流暢、制作方便的新型竹塑復合3D打印材料絲材，此種材料還具有易降解的效果，而且用本方法制成的絲材可廣泛用于采用FDM工藝的各類型3D打印機，可用于打印木質工藝品，沙盤地形模型有良好外觀效果，本產品拓展了桌面式3D打印機的材料可用領域，且加工工具少，成本低，打印效果好。

附圖說明

圖1為本發明竹塑復合材料的生產工藝流程圖；

圖2為本發明3D打印工藝流程圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

請參閱圖1-2，一種新型竹塑復合3D打印材料，其原材料的重量配比為：樹脂30-70，竹粉15-30，潤滑劑 0.9-2.1，增塑劑 0.9-2.1，相容劑1.5-3，潤滑劑選擇聚乙二醇、硬脂酸中的一種，增塑劑選擇苯乙烯馬來酸酐共聚物、DOP、環氧大豆油、甘油、合成植物酯中的一種或多種，相容劑選擇塑料用增溶劑CA-200，該新型竹塑復合3D打印材料，外形呈卷絲狀或直線狀，通體呈棕色，表面光滑，平均密度1248kg/m3，邵氏硬度D84.62 ，彈性模量805MPa，拉伸強度28.88MPa，斷裂伸長率10.22%，熔融指數6-7g/10min。

通過在塑料中摻入竹粉，混合擠出，可以替代PLA、ABS等塑料制品，適用于FDM工藝的桌面式打印機，擴大了竹材的使用范圍。

通過機械粉碎、研磨、分級而制得的180目左右的竹粉，在經過干燥處理后，再與塑料復合而制得的一種竹塑復合材料，是繼木塑復合材料之后又一種新型循環再生利用的資料資源。

一種新型竹塑復合3D打印材料絲材的制作方法，包括如下步驟：原材料的準備與處理、水分控制、試劑與原材料按配比混合、加熱熔融擠出、卷絲。

S1、原材料的準備與處理：可以通過購買相關的原材料，或者通過專業的制粉機器，將竹子相關的原材料加工成粉末狀，主要要求是竹粉的顆粒大小，后續可以通過試驗篩篩選顆粒的大小，本次采用的竹粉目數為180目到200目之間。PLA選用其余材料選用標準產品即可。

S2、水分控制：對竹粉，PLA進行一定程度的烘干操作，將殘存在材料中的水分蒸發，控制竹粉與PLA的含水率在0.5%以下。

S3、試劑與原材料混合：先將潤滑劑、增塑劑，相容劑與PLA混合，使試劑均勻的包覆PLA，竹粉包裹在PLA外側，再用攪拌裝置充分攪拌。

S4、加熱擠出：將混合的材料添加到異向雙螺桿擠出機中，控制好機器三段溫度，材料添加速度保持勻速流暢，保證在擠出過程中不產生堵塞，出絲穩定流暢。

S5、卷絲：通過加裝口模，確定出絲的粗細基本保持直徑為1.75mm，通過圓盤裝置繞絲收集成型絲材。

通過上述制作方法，解決了上述現有材料缺少的問題，提供了一種打印流暢、制作方便的新型竹塑復合3D打印材料絲材，此種材料還具有易降解的效果，用本方法制成的絲材可廣泛用于采用FDM工藝的各類型3D打印機，可用于打印木質工藝品，沙盤地形模型有良好外觀效果，本產品拓展了桌面式3D打印機的材料可用領域，且加工工具少，成本低，打印效果好。

本發明應用我國廣泛生長的竹材或者竹子加工廢料為原材料，通過機械粉碎研磨制成的竹粉，在經過干燥處理后，與樹脂材料復合，通過擠出機制成3D打印可用的絲材，竹塑復合材料具有優良的性能，一般用于門床框架、扶梯、地板等家居各個方面，產品更需要向多方面發展，竹粉通過添加配比的調整能達成不同的性能要求，包括：阻燃、防腐、防水、防蛀等；竹塑復合材料制成的板材型材可以進行鋸、刨、鉆、切等處理，所以二次加工性能非常好，最重要的是竹塑復合材料在通過添加竹粉后，與純塑料產品相比成本顯著降低，且在一定范圍內，隨著竹粉添加量的增加，成本逐漸降低，使得竹塑復合材料的經濟價值而3D打印技術是正在蓬勃發展的一種新的技術，正需要有順應時代變化的環保材料作為基礎才能更好發展，現在PLA的市場占有率已經顯著的證明了這一點；本發明中涉及到的現有技術有木塑、竹塑復合強化板材及其生產方法，3D打印技術開始廣泛應用于人類社會各個領域，其中熔融沉積造型( FDM-Fused Deposition Modeling)技術由于不用激光，具有使用、維護簡單，成本較低的優點，被廣泛應用于生物醫學、建筑、車輛、服裝等更多個行業領域，發展面向FDM成型應用的新型低成本、環保的材料有望打破3D打印技術發展的瓶頸，拓展其應用范圍，并且具有良好經濟、社會效益，鑒于中國以木材與竹材為代表的天然植物纖維資源豐富，開發木塑復合材料和竹塑復合材料作為環境友好型的FDM成型材料，具有巨大的發展潛力，顯然，木材與竹材價格低廉，密度比其他無機纖維小，而模量和拉伸強度與無機纖維相近，還具有可反復加工、不易吸水受潮、可生物降解等特點。

綜上所述：該新型竹塑復合3D打印材料研發及其制作方法，通過在塑料中摻入竹粉，混合擠出，可以替代PLA、ABS等塑料制品，適用于FDM工藝的桌面式打印機，擴大了竹材的使用范圍，通過其制作方法，解決了上述現有材料缺少的問題，提供了一種打印流暢、制作方便的新型竹塑復合3D打印材料絲材，此種材料還具有易降解的效果，而且用本方法制成的絲材可廣泛用于采用FDM工藝的各類型3D打印機，可用于打印木質工藝品，沙盤地形模型有良好外觀效果，本產品拓展了桌面式3D打印機的材料可用領域，且加工工具少，成本低，打印效果好。

盡管已經示出和描述了本發明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由所附權利要求及其等同物限定。