本发明涉及一种用于三维印刷（3DP）工艺快速成型粉体材料的制备方法，属于快速成型的材料领域，特别涉及一种用于3DP工艺快速成型黑陶粉体材料的制备方法及成型。
背景技术：
黑陶，诞生于中国新石器时代，古老的汉族制陶技艺，有黑如漆，声如罄，薄如纸，亮如镜，硬如瓷的美誉。黑色陶器。出现新石器时代晚期的滇藏文化，大汶口文化、龙山文化、屈家岭文化和良渚文化等遗址中。黑陶的烧成温度达1000度左右，黑陶有细泥、泥质和夹砂三种，其中以细泥薄壁黑陶制作水平最高，有“黑如漆、薄如纸”的美称。这种黑陶的陶土经过淘洗 ，轮制，胎壁厚仅0.5-1毫米，再经打磨，烧成漆黑光亮，有“蛋壳陶”之称，表现出惊人的技巧，饮誉中外。这时期的黑陶以素面磨光的最多，带纹饰的较少，有弦纹、划纹、镂孔等几种。黑陶采用轮制，器形浑圆工整，造型优美，装饰精巧，具有“黑，薄，光，纽”的艺术特点。
制作工艺，泥土取出后经晾干，后用纱布过滤制成泥坯，经过手工拉坯造型后，用贝壳反复压光，直到陶坯表面密度增加，光滑如镜。再以特制的雕刻工具运用线雕、浅雕、深雕、镂空等技法，手工雕刻出绚丽神秘的图案。然后给黑陶作品安装耳、环、鼻、腿等配件。制作工艺复杂，费时费力。采用3D打印成型省时省力，产品的精度高等优点。
3D打印是通过模型设计和打印设备把材料逐层堆积成型为三维产品的技术，又称作增材制造。3D打印融合了数字建模、机电控制、信息技术、材料科学与化学等诸多前沿领域，是“第三次工业革命”的核心技术之一。3D打印技术已在航空航天、生物医药、建筑、工艺品制造等领域逐步拓宽，其方便快捷、提高材料利用率等优势不断显现，不断推动传统制造业的转型升级。
3D打印材料是3D打印的物质基础，决定着3D打印的泛用性，也是当前制约3D打印发展的瓶颈。3D打印材料的种类已从最初的高分子材料（ABS、PLA、PC、PVC、光敏树脂）拓展到金属（各种合金，应用于航空航天、医疗等高端领域）、陶瓷（各种无机非金属材料）等。根据成型原理，3D打印用材被限定为粉体状、丝状、层片状、液体状，它们各自的适应不同的3D打印方式。3D打印粉体材料适用三维印刷工艺（3DP）和选择性激光烧结（SLS），目前关于3D打印用粉体材料的制备方法也有相关报道，中国专利201510125390X公开一种3D打印二氧化锆粉体成型材料的制备方法；中国专利2015101260246公开了一种3D打印快速成型锆铝碳陶瓷粉体材料的制备，由于无机非金属材料具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性，在航空航天、汽车、生物等行业有广泛应用，其在3D打印领域里的需求量会迅猛增加，因此，选择性激光烧结3D打印无机非金属粉体材料实现商品化具有十分重要意义和广阔的市场。
三维印刷（3DP）工艺，就是今天的3D打印，是美国麻省理工学院Emanual Sachs等人研制的。E.M.Sachs于1989年申请了3DP（Three-Dimensional Printing）专利，该专利是非成形材料微滴喷射成形范畴的核心专利之一。3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂（如硅胶）将零件的截“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理。具体工艺过程如下：上一层粘结完毕后，成型缸下降一个距离（等于层厚：0.013～0.1mm）,供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。喷头在计算机控制下，按下一建造截面的成形数据有选择地喷射粘结剂建造层面。铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射粘结剂的地方为干粉，在成形过程中起支撑作用，且成形结束后，比较容易去除。但这种成型工艺也有一定的局限性，胶粘剂的用量大，不好控制，胶粘剂容易堵塞喷头。
本发明通过对黑陶粉体材料进行造粒，将高分子的胶粘剂涂层到造粒黑陶粉体材料表面，得到的涂层后黑陶粉体材料可以直接采用3DP成型。成型过程中不需要喷洒胶粘剂，只需要喷洒少量的溶剂即可。优点是胶粘剂用量大大减少，在后续煅烧过程中减少环境污染，产品的品质高。本申请的工艺制备的粉体材料粒径均匀，球形度高，流动性好，适合3DP工艺3D打印成型。此外，本专利提供的方法简单，成本低。
技术实现要素：
本发明的目是提供一种用于3DP工艺快速成型黑陶粉体材料的制备方法，快速成型粉体在喷洒溶剂可直接三维印刷快速成型；
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种用于3DP工艺快速成型黑陶粉体材料的制备方法，其特征在于，该方法具有以下工艺步骤：
（1）黑陶陶土预处理：将黑陶陶土晾干，研磨，过筛，粒径控制在0.5~10μm范围内，得到预处理黑陶陶土；
（2）造粒黑陶粉体制备：在反应器中，按质量百分比加入，水：52%~60%，聚乙烯醇：0.5%~1.5%，可溶性淀粉： 0.5%~1.5%，加热溶解，冷却后，柠檬酸三乙酯：0.1%~1.0%，搅拌溶解，再加入预处理黑陶陶土：38%~45%，各组分之和为百分之百，强力搅拌、反应120~150min，然后喷雾干燥，得到造粒黑陶粉体，其粒径在40~120µm范围内；
（3）用于3DP工艺快速成型黑陶粉体材料的制备：在研磨机中，按质量百分比加入，造粒黑陶粉体：75%~85%，聚丙烯酸酯：4%~12%，硬脂酸：0.5%~1.5%，季戊四醇：0.4%~1.2%，开启研磨机转速在250转/分钟，研磨40min，N,N-二甲基甲酰胺：8%~16%，各组分之和为百分之百，研磨机转速在250转/分钟，再研磨20min，干燥，得到用于3DP工艺快速成型黑陶粉体材料，所得到的用于3DP工艺快速成型黑陶粉体材料的粒径为40~150μm的范围内。
在步骤（2）中所述的喷雾干燥，进风口温度控制在95℃，出风口温度控制在90℃，进风流量210m3/h。
在步骤（2）中所述的聚乙烯醇与可溶性淀粉的质量比在1：0.8~1.2之间最优。
在步骤（3）中所述的造粒黑陶粉体与聚丙烯酸酯的质量比在1：0.08~0.12之间最优。
在步骤（3）中所述的聚丙烯酸酯与季戊四醇的质量比在1：0.1~0.15之间最优。
本发明所述的颗粒度测试方法是采用激光粒度仪测得的粒度当量直径尺寸。
本发明的另一目的是提供用于3DP工艺快速成型黑陶粉体材料在3D打印机上成型的应用，特点为：将用于3DP工艺快速成型黑陶粉体材料加入到供粉缸中，喷头内装入溶剂N,N-二甲基甲酰胺。具体工艺过程如下：喷头喷洒N,N-二甲基甲酰胺于用于3DP工艺快速成型黑陶粉体材料上，材料表面的胶粘剂溶解使其粘结，上一层粘结完毕后，成型缸下降一个距离（等于层厚：0.010～0.1mm），供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。喷头在计算机控制下，按下一建造截面的成形数据有选择地喷射溶剂N,N-二甲基甲酰胺建造层面。铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射N,N-二甲基甲酰胺，最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射N,N-二甲基甲酰胺的地方为干粉，在成形过程中起支撑作用，且成形结束后，比较容易去除。
本发明与现有技术比较，具有如下优点及有益效果：
（1）本发明获得的用于3DP工艺快速成型黑陶粉体材料，不需要喷洒粘结剂，喷头只喷洒溶剂可直接成型，使胶粘剂用量大大降低，提高产品的品质高，同时防止喷头堵塞。
（2）本发明获得的本发明获得的用于3DP工艺快速成型黑陶粉体材料，颗粒的粒径均匀，球形度高，流动性好，适合3DP工艺3D打印成型；由这种快速成型粉末材料可以制造薄壁模型或微小零部件及工艺品，制造出产品具有表面光泽度高，精度高等特点。
（3）本发明获得的本发明获得的用于3DP工艺快速成型黑陶粉体材料，具有制备工艺简单，条件易于控制，生产成本低，易于工业化生产，又具有低碳环保和节约能源等优势。
具体实施方式
实施例1
（1）黑陶陶土预处理：将黑陶陶土晾干，研磨，过筛，粒径控制在0.5~10μm范围内，得到预处理黑陶陶土；
（2）造粒黑陶粉体制备：在反应器中，分别加入，水：5.5L，聚乙烯醇：100g，可溶性淀粉： 50g，加热溶解，冷却后，柠檬酸三乙酯：50g，搅拌溶解，再加入预处理黑陶陶土：4200g，强力搅拌、反应130min，搅拌溶解，然后喷雾干燥，得到造粒黑陶粉体，其粒径在40~120µm范围内；
（3）用于3DP工艺快速成型黑陶粉体材料的制备：在研磨机中，分别加入，造粒黑陶粉体：80g，聚丙烯酸酯：8g，硬脂酸：0.5g，季戊四醇：0.5g，开启研磨机转速在250转/分钟，研磨40min，N,N-二甲基甲酰胺：12mL，研磨机转速在250转/分钟，再研磨20min，干燥，得到用于3DP工艺快速成型黑陶粉体材料，所得到的用于3DP工艺快速成型黑陶粉体材料的粒径为40~150μm的范围内。
实施例2
（1）黑陶陶土预处理：将黑陶陶土晾干，研磨，过筛，粒径控制在0.5~10μm范围内，得到预处理黑陶陶土；
（2）造粒黑陶粉体制备：在反应器中，分别加入，水：5L，聚乙烯醇：40g，可溶性淀粉： 20g，加热溶解，冷却后，柠檬酸三乙酯：10g，搅拌溶解，再加入预处理黑陶陶土：4500g，强力搅拌、反应140min，搅拌溶解，然后喷雾干燥，得到造粒黑陶粉体，其粒径在40~120µm范围内；
（3）用于3DP工艺快速成型黑陶粉体材料的制备：在研磨机中，分别加入，造粒黑陶粉体：850g，聚丙烯酸酯：40g，硬脂酸：10g，季戊四醇：10g，开启研磨机转速在250转/分钟，研磨40min，N,N-二甲基甲酰胺：100mL，研磨机转速在250转/分钟，再研磨20min，干燥，得到用于3DP工艺快速成型黑陶粉体材料，所得到的用于3DP工艺快速成型黑陶粉体材料的粒径为40~150μm的范围内。
实施例3
（1）黑陶陶土预处理：将黑陶陶土晾干，研磨，过筛，粒径控制在0.5~10μm范围内，得到预处理黑陶陶土；
（2）造粒黑陶粉体制备：在反应器中，分别加入，水：6L，聚乙烯醇：50g，可溶性淀粉： 10g，加热溶解，冷却后，柠檬酸三乙酯：20g，搅拌溶解，再加入预处理黑陶陶土：4000g，强力搅拌、反应130min，搅拌溶解，然后喷雾干燥，得到造粒黑陶粉体，其粒径在40~120µm范围内；
（3）用于3DP工艺快速成型黑陶粉体材料的制备：在研磨机中，分别加入，造粒黑陶粉体：150g，聚丙烯酸酯：20g，硬脂酸：1.5g，季戊四醇：1.0g，开启研磨机转速在250转/分钟，研磨40min，N,N-二甲基甲酰胺：25mL，研磨机转速在250转/分钟，再研磨20min，干燥，得到用于3DP工艺快速成型黑陶粉体材料，所得到的用于3DP工艺快速成型黑陶粉体材料的粒径为40~150μm的范围内。
实施例4
（1）黑陶陶土预处理：将黑陶陶土晾干，研磨，过筛，粒径控制在0.5~10μm范围内，得到预处理黑陶陶土；
（2）造粒黑陶粉体制备：在反应器中，分别加入，水：52L，聚乙烯醇：800g，可溶性淀粉： 500g，加热溶解，冷却后，柠檬酸三乙酯：300g，搅拌溶解，再加入预处理黑陶陶土：48000g，强力搅拌、反应130min，搅拌溶解，然后喷雾干燥，得到造粒黑陶粉体，其粒径在40~120µm范围内；
（3）用于3DP工艺快速成型黑陶粉体材料的制备：在研磨机中，分别加入，造粒黑陶粉体：820g，聚丙烯酸酯：60g，硬脂酸：14g，季戊四醇：6g，开启研磨机转速在250转/分钟，研磨40min，N,N-二甲基甲酰胺：120mL，研磨机转速在250转/分钟，再研磨20min，干燥，得到用于3DP工艺快速成型黑陶粉体材料，所得到的用于3DP工艺快速成型黑陶粉体材料的粒径为40~150μm的范围内。
使用方法：将用于3DP工艺快速成型黑陶粉体材料加入到三维印刷成型3D打印机的供粉缸中，喷头中加入N,N-二甲基甲酰胺。具体工艺过程如下：从喷头喷射溶剂N,N-二甲基甲酰胺，将粉体材料表面的胶粘剂溶解，使粉体粘结在一起，上一层粘结完毕后，成型缸下降一个距离（等于层厚：0.010～0.1mm），供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。喷头在计算机控制下，按下一建造截面的成形数据有选择地喷射溶剂N,N-二甲基甲酰胺建造层面。铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射N,N-二甲基甲酰胺，最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射N,N-二甲基甲酰胺的地方为干粉，在成形过程中起支撑作用，且成形结束后，比较容易去除。