CN103895224A - 一种用于陶瓷注浆成形的多孔树脂模具增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于陶瓷注浆成形的多孔树脂模具增材制造方法，将步骤构建的三维CAD模型导入到激光选区烧结设备的控制系统中，依据模型进行树脂模具的增材制造；将所制备的含有造孔剂的树脂模具除去造孔剂，获得具有流道系统的多孔结构树脂模具，以用于陶瓷注浆成形。利用树脂材料和造孔剂的混合体系配方作为原材料，采用激光选区烧结工艺制造用于陶瓷注浆成形的具有可控流道体系的多孔树脂模具，实现陶瓷注浆成形模具的快速开发和制造，降低陶瓷注浆模具的开发成本，提高陶瓷注浆成形模具的质量。

Description

一种用于陶瓷注浆成形的多孔树脂模具增材制造方法

技术领域

本发明属于增材制造、陶瓷成形技术领域，涉及一种用于陶瓷注浆成形的多孔树脂模具增材制造方法。

背景技术

目前，在我国卫生陶瓷行业，石膏模具是注浆、滚压、旋压等陶瓷成形过程中不可缺少的辅助工艺部件，占中国陶瓷模具市场的90%以上。然而，石膏模具寿命短、反复使用率很低（90次左右）；制造工艺较为复杂，需要多次翻制；生产效率低下，限制了我国卫生陶瓷行业的生产效率和制造水平。因此，采用高压树脂模具代替传统石膏模具已成为陶瓷注浆技术的发展趋势，高压树脂模具主要采用以树脂为基础的微孔结构树脂材料，具有强度高、韧性好、表面光洁、孔隙率可控、使用寿命长、效率高以及成形质量高等优势，比如高压注浆设备与高压树脂模具配合，可实现面盆12-15分钟成形一次，抽水马桶25分钟成形一次。我国暂时还没有成熟的高压树脂模具制造技术，所采用的高压树脂模具多是从国外进口。同时，相比欧美简约风格，我国消费者对产品款式需求呈现多样化，卫生陶瓷企业转换产品款式的频率较高。进口模具材料制备困难、加工复杂、成本昂贵，制约了高压注浆工艺在我国的发展，使得陶瓷产业转型升级陷入困境。

陶瓷成形用多孔树脂模具的研究在国外起步较早，始于上世纪60年代。80年代初，装有多孔树脂模具的高压注浆机就已投入了使用。1982年，德国道尔斯特(DORST)公司与瑞士劳芬(LAUFEN)公司合作，首次研制出使用多孔树脂模具的高压注浆成形技术，用于卫生陶瓷的注浆成形，其可承受压力可达1.5～2.0MPa。80年代末，前苏联的Liburkin V.G以聚氯乙烯为主要原料，加入环氧树脂和酚醛树脂的共聚物和陶土制备了多孔树脂模具，同时期，法国的Gaillard Jean Marie以环氧树脂和无机填料制备类似的多孔树脂模具。90年代初，日本新荣机工株式会社(NIKKO)，以聚氨酯为原料制备出了高压多孔模具。目前，拥有多孔树脂模具技术的国外企业还有：意大利萨克米公司(SACMI)和西蒂公司(SITI)，德国斯玛特新材料技术有限公司，英国鲍威尔集团公司(PORVAIR)，日本伊奈公司(INAX)、SAGA、NGK等。该类高压树脂模具具有用于陶瓷浆料水分渗出及压缩空气通入脱模的复杂结构流道，国外现有技术多采用数控加工方式进行制造，只适用于结构简单的卫生陶瓷成形，不符合我国卫生陶瓷产品结构复杂、多样化的需求特点。

在国内，80年代末，高安军、王义宽等人利用环氧树脂和酚醛树脂等主要原料，制备了用于滚压成形的模具。90年代末，湖南塑料研究所的李铁军等人以聚氯乙烯为原料，研制了多孔树脂成形模具，以替代原有的石膏模具。2006年，山东轻工业学院的武光等人采用自制的乳化剂乳化环氧树脂等材料，制备了用于高压注浆的多孔树脂模具。目前，国内关于该技术的研究基本上还处在理论研究阶段，未见有自主研发的商品化高压注浆树脂模具产品。国内多数相关产品均是从国外引进，其价格昂贵，使得高压注浆成形难以在我国广泛推广，从而影响到整个陶瓷行业的转型升级。

增材制造是近年来新兴的先进制造技术，通过逐层累加的方法进行制造，改变了对原材料坯体进行切削加工、组装的模式，可实现传统制造工艺难以成形的复杂结构零件快速制造，且可以满足对产品的单件个性化需求。2000年，新加坡南洋理工大学机械工程学院的K F Leong、K K S Phua等人使用选择性激光烧结技术以聚合物为基体制备了多微孔的药物输送装置（DDDs）。2007年英国伦敦大学材料与化学中心V.Shishkovsky、L.T.Volova等人通过选择性激光烧结技术用钛与镍钛材料制作了多孔的生物植入物和组织支架。2010年，George W.Woodruff大学机械工程学院的Shaun Eshraghi、Suman Das等人采用选择性激光技术，以聚已酸内酯为原料烧结出了具有微观多孔结构的正交支架。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种用于陶瓷注浆成形的多孔树脂模具增材制造方法，采用激光选区烧结技术进行高压注浆多孔树脂模具的制造方法，制造用于陶瓷注浆成形的具有可控流道体系的多孔树脂模具。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种用于陶瓷注浆成形的多孔树脂模具增材制造方法，包括以下操作：

1）根据陶瓷制品的结构设计相应的多孔树脂模具，构建其三维CAD模型，并在三维CAD模型中设计陶瓷注浆成形排水用流道系统；

2）根据陶瓷制品和陶瓷注浆的工艺要求，制定多孔树脂模具的多孔性能指标；

3）根据所制定的多孔性能指标选择树脂与造孔剂，并确定树脂和造孔剂的配比；

4）按配比将颗粒或粉末状的树脂、造孔剂均匀混合，作为激光选区烧结设备原材料；

5）将步骤1）构建的三维CAD模型导入到激光选区烧结设备的控制系统中，依据模型进行树脂模具的增材制造；

6）将所制备的含有造孔剂的树脂模具除去造孔剂，获得具有流道系统的多孔结构树脂模具，以用于陶瓷注浆成形。

使用计算机辅助设计软件进行多孔树脂模具模型的设计，以及陶瓷注浆过程中用于排水的流道系统的设计。

所述的流道系统分布于陶瓷制品成形面的下层，并根据陶瓷制品对壁厚的要求来匹配相应流道分布的疏密，形成复杂流道，以控制陶瓷注浆成形过程失水的快慢。

所述的多孔树脂模具的设计包括不含模芯的单面注浆模具，以及由模具和模芯组成的双面注浆模具。

所述的多孔树脂模具的多孔性能指标依据陶瓷注浆用浆料的流动性、悬浮性、渗透性以及陶瓷制品的结构特征来制定。

所述的多孔性能指标包括孔隙率和孔隙直径的要求，其中孔隙率要求大于20%，孔隙直径要求小于10μm；

所述的孔隙率为φ=(V_P/V_B)×100%，其中V_P表示多孔树脂模具内的微小空隙的总体积，V_B表示多孔树脂模具的总体积。

所述的树脂为热塑性树脂颗粒或粉末，所述的造孔剂为水溶性、醇溶性或脂溶性的颗粒或粉末。

所述的树脂为尼龙树脂、ABS树脂、PEEK树脂中的一种或几种。

所述在进行激光选区烧结时根据树脂与造孔剂的熔点、热膨胀系数、多孔树脂模具的结构来确定激光功率、扫描速度和预热温度。

所述在进行激光选区烧结时，激光功率、扫描速度和预热温度还根据多孔树脂模具的定制要求在不同部位进行调整。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果和显著的技术优点：

本发明提供的用于陶瓷注浆成形的多孔树脂模具增材制造方法，以树脂、造孔剂混合体系配方为原材料，采用激光选区烧结工艺，可实现具有复杂曲面结构的陶瓷模具的快速精确成形，大大提高陶瓷注浆模具的开发效率并降低其开发成本，还可以实现陶瓷注浆模具复杂排水流道的加工制造，所形成的复杂流道系统，能够根据陶瓷制品的几何形状确定流道系统结构以保持陶瓷注浆成形过程中失水的均匀性，实现对陶瓷注浆成形零件表面平整度和壁厚均匀性等性能的优化；在保证壁厚均匀性的基础上，还可以通过流道系统的改变获取符合陶瓷制品对不同部位不同壁厚的要求。从而保证了陶瓷模具的定制化要求，提高陶瓷产品的质量。

附图说明

图1为陶瓷冲水马桶零件注浆成型模具复杂可控流道系统示意图。

具体实施方式

本发明提供的一种用于陶瓷注浆成形的多孔树脂模具的增材制造方法，基于激光选区烧结技术，利用树脂和造孔剂混合体系配方作为激光选区烧结技术的材料，进行陶瓷注浆多孔树脂模具的快速开发和制造。该工艺可实现复杂陶瓷注浆模具及其排水流道系统的快速开发和制造，大大提高陶瓷注浆模具的开发效率并降低其开发成本。

所提供的用于陶瓷注浆成形的多孔树脂模具的增材制造方法，包括以下操作：

1）根据陶瓷制品的结构设计相应的多孔树脂模具，构建其三维CAD模型，并在三维CAD模型中设计陶瓷注浆成形排水用流道系统；

2）根据陶瓷制品和陶瓷注浆的工艺要求，制定多孔树脂模具的多孔性能指标；

3）根据所制定的多孔性能指标选择树脂与造孔剂，并确定树脂和造孔剂的配比；

4）按配比将颗粒或粉末状的树脂、造孔剂均匀混合，作为激光选区烧结设备原材料；

5）将步骤1）构建的三维CAD模型导入到激光选区烧结设备的控制系统中，依据模型进行树脂模具的增材制造；

6）将所制备的含有造孔剂的树脂模具除去造孔剂，获得具有流道系统的多孔结构树脂模具，以用于陶瓷注浆成形。

进一步的，所述的流道系统分布于陶瓷制品成形面的下层，并根据陶瓷制品对壁厚的要求来匹配相应流道分布的疏密，形成复杂流道，以控制陶瓷注浆成形过程失水的快慢。

所述的多孔树脂模具的设计包括不含模芯的单面注浆模具，以及由模具和模芯组成的双面注浆模具。

所述的多孔树脂模具的多孔性能指标依据陶瓷注浆用浆料的流动性、悬浮性、渗透性以及陶瓷制品的结构特征来制定。

所述的多孔性能指标包括孔隙率和孔隙直径的要求，其中孔隙率要求大于20%，孔隙直径要求小于10μm；

所述的孔隙率为φ=(V_P/V_B)×100%，其中V_P表示多孔树脂模具内的微小空隙的总体积，V_B表示多孔树脂模具的总体积。

所述的树脂为热塑性树脂颗粒或粉末，所述的造孔剂为水溶性、醇溶性或脂溶性的颗粒或粉末。具体的所述的树脂为尼龙树脂、ABS树脂、PEEK树脂中的一种或几种。

在进行激光选区烧结时根据树脂与造孔剂的熔点、热膨胀系数、多孔树脂模具的结构来确定激光功率、扫描速度和预热温度。进一步，在进行激光选区烧结时，激光功率、扫描速度和预热温度还根据多孔树脂模具的定制要求在不同部位进行调整。

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

采用树脂、造孔剂混合体系配方的激光选区烧结快速成形技术制备冲水马桶的多孔树脂模具，包括以下步骤：

1）根据冲水马桶的尺寸、结构和性能要求，设计其树脂模具（包含注浆工艺中排水用的流道系统），然后利用Pro/E软件构建三维CAD模型（参照图1）并存储为STL格式；

2）根据该产品所指定的陶瓷注浆工艺的要求，陶瓷浆料的流动性速度为(170±50s)/100mL，含水量为30%-35%，密度为1.65-l.9g/cm。据此，确定多孔树脂模具的性能指标为：微孔尺寸2.0～3.5μm，孔隙率25～30%；

3）根据确定的多孔树脂模具的性能指标，使用尼龙材料作为树脂材料，使用PVP粉末作为水溶性造孔剂，并确定二者质量配比为1:0.36；

4）将所选树脂材料和造孔剂按比例混合均匀作为原材料装入激光选区烧结设备的铺粉装置中；

5）将存储的STL格式的模具三维CAD模型导入到激光选区烧结设备中，通过设备软件设定激光功率为200W，扫描速度500mm/s，预热温度50℃，由设备软件自动生成加工控制代码进行模具的增材制造，得到冲水马桶的陶瓷注浆模具“绿件”。

6）将得到的模具“绿件”，采取浸水的方式进行处理，去除模具中的造孔剂，获得用于陶瓷注浆成形的多孔树脂模具。

Claims (10)

1.一种用于陶瓷注浆成形的多孔树脂模具增材制造方法，其特征在于，包括以下操作：

1）根据陶瓷制品的结构设计相应的多孔树脂模具，构建其三维CAD模型，并在三维CAD模型中设计陶瓷注浆成形排水用流道系统；

2）根据陶瓷制品和陶瓷注浆的工艺要求，制定多孔树脂模具的多孔性能指标；

3）根据所制定的多孔性能指标选择树脂与造孔剂，并确定树脂和造孔剂的配比；

4）按配比将颗粒或粉末状的树脂、造孔剂均匀混合，作为激光选区烧结设备原材料；

5）将步骤1）构建的三维CAD模型导入到激光选区烧结设备的控制系统中，依据模型进行树脂模具的增材制造；

6）将所制备的含有造孔剂的树脂模具除去造孔剂，获得具有流道系统的多孔结构树脂模具，以用于陶瓷注浆成形。

2.如权利要求1所述的用于陶瓷注浆成形的多孔树脂模具增材制造方法，其特征在于，使用计算机辅助设计软件进行多孔树脂模具模型的设计，以及陶瓷注浆过程中用于排水的流道系统的设计。

3.如权利要求1所述的用于陶瓷注浆成形的多孔树脂模具增材制造方法，其特征在于，所述的流道系统分布于陶瓷制品成形面的下层，并根据陶瓷制品对壁厚的要求来匹配相应流道分布的疏密，形成复杂流道，以控制陶瓷注浆成形过程失水的快慢。

4.如权利要求1所述的用于陶瓷注浆成形的多孔树脂模具增材制造方法，其特征在于，所述的多孔树脂模具的设计包括不含模芯的单面注浆模具，以及由模具和模芯组成的双面注浆模具。

5.如权利要求1所述的用于陶瓷注浆成形的多孔树脂模具增材制造方法，其特征在于，所述的多孔树脂模具的多孔性能指标依据陶瓷注浆用浆料的流动性、悬浮性、渗透性以及陶瓷制品的结构特征来制定。

6.如权利要求5所述的用于陶瓷注浆成形的多孔树脂模具增材制造方法，其特征在于，所述的多孔性能指标包括孔隙率和孔隙直径的要求，其中孔隙率要求大于20%，孔隙直径要求小于10μm；

所述的孔隙率为φ=(V_P/V_B)×100%，其中VP表示多孔树脂模具内的微小空隙的总体积，V_B表示多孔树脂模具的总体积。

7.如权利要求1所述的用于陶瓷注浆成形的多孔树脂模具增材制造方法，其特征在于，所述的树脂为热塑性树脂颗粒或粉末，所述的造孔剂为水溶性、醇溶性或脂溶性的颗粒或粉末。

8.如权利要求1所述的用于陶瓷注浆成形的多孔树脂模具增材制造方法，其特征在于，所述的树脂为尼龙树脂、ABS树脂、PEEK树脂中的一种或几种。

9.如权利要求1所述的用于陶瓷注浆成形的多孔树脂模具增材制造方法，其特征在于，在进行激光选区烧结时根据树脂与造孔剂的熔点、热膨胀系数、多孔树脂模具的结构来确定激光功率、扫描速度和预热温度。

10.如权利要求1或9所述的用于陶瓷注浆成形的多孔树脂模具增材制造方法，其特征在于，在进行激光选区烧结时，激光功率、扫描速度和预热温度还根据多孔树脂模具的定制要求在不同部位进行调整。

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