CN104693381A - 一种面向增材制造技术的刚度可控材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种面向增材制造技术的刚度可控材料及其制备方法，以质量份数计，将10～40份的丙烯酸酯低聚物、60～90份的丙烯酸烷基酯、0.1～3份的紫外光光引发剂依次混合、搅拌均匀，配制成光固化原料；建立刚度可控材料器件的三维模型，对三维模型表面进行离散化，生成三维数字模型文件，该三维数字模型文件经支撑添加、模型分层离散化以及加工路径生成后导出增材制造设备能够识别的加工文件；将光固化原料利用紫外光固化增材制造工艺制造成刚度可控材料器件；本发明得到的器件结构多样，刚度可控性能优异，且具有效率高、成本低、精度高的特点，玻璃态杨氏模量值是橡胶态杨氏模量值的近500倍，杨氏模量随温度变化的响应速度较快。

Description

一种面向增材制造技术的刚度可控材料及其制备方法

技术领域

本发明属于材料与成型工艺领域，具体涉及一种面向增材制造技术的刚度可控材料及其制备方法。

背景技术

随着材料科学的不断发展，结构-功能一体化材料得到了长足进步，正逐步取代传统金属通过复杂机构实现不同功能的现状，以简单的材料形状、结构实现不同的功能，其中刚度可控材料的作用显得尤为突出。这种材料在外部激励(如光、热、化学能)的作用下，杨氏模量发生显著变化，通过对材料施加外部激励的控制，就可以实现对材料刚度的控制。使用该材料可以为系统提供驱动力或是作为系统的支撑部件，极大的简化了系统结构，缩小系统尺寸，尤其适用于操作空间受限的应用场合。

现有的丙烯酸酯类刚度可控材料主要通过挤塑、注塑、浇注等成型工艺。挤塑成型工艺生产效率较高，可连续化生产，但存在成型结构相对简单、成型尺寸容易出现偏差等不足；注塑工艺具有生产速度快、操作可自动化，但注塑模具成本较高，且难于成型形状复杂的零件；而浇注工艺效率较低，且需要制造成型模具。

发明内容

为解决已有技术出现的不足，本发明提供的一种面向增材制造技术的刚度可控材料及其制备方法，该材料具有优异的变刚度性能，且制备过程简单，该材料的制备方法能够实现复杂结构刚度可控材料器件的快速、精确制造。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：

一种面向增材制造技术的刚度可控材料，以质量份数计，包括10～40份的丙烯酸酯低聚物、60～90份的丙烯酸烷基酯、0.1～3份的紫外光光引发剂。

面向增材制造技术的刚度可控材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将丙烯酸酯低聚物、丙烯酸烷基酯、紫外光光引发剂混合，置于50～60℃水浴锅中加热2～5分钟，搅拌均匀，配制成光固化原料；

2)建立刚度可控材料器件的三维模型，对三维模型表面进行离散化，生成三维数字模型文件，该三维数字模型文件经支撑添加、模型分层离散化以及加工路径生成后导出增材制造设备能够识别的加工文件；根据加工文件，将光固化原料利用紫外光固化增材制造工艺制造成刚度可控材料器件；其中，紫外光固化增材制造工艺在成形时的紫外光波长365～395nm，功率为0.2～150W。

所述的丙烯酸酯低聚物为芳香酸甲基丙烯酸半酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、酚醛环氧丙烯酸脂、水溶性聚酯丙烯酸、烷基环氧-三丙烯酸酯、聚丁二烯丙烯酸酯中的一种或多种任意比例混合而成。

所述的丙烯酸烷基酯为丙烯酸叔丁酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸十二丁酯、丙烯酸十八烷基酯中的一种或多种任意比例的混合而成。

所述的紫外光光引发剂为α-羟基酮、苯基乙二酰酯、苯基二甲基缩酮、α-氨基酮、2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮中的一种或多种任意比例混合而成。

所述的紫外光引发剂为2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮时，紫外光引发剂的质量份数为3份，紫外光固化增材制造工艺的工艺参数中分层厚度为0.05mm，扫描间距为0.05mm，扫描速度为1000mm/s。

所述的紫外光引发剂为苯基二甲基缩酮时，紫外光波长为395nm，功率为0.2W。

所述的紫外光固化增材制造工艺的工艺参数为：分层厚度为0.05～0.2mm；扫描间距为0.02～0.2mm；扫描速度为500～2000mm/s。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明采用紫外光固化增材制造技术作为加工手段，通过传统的加工成形手段(如挤塑、注塑、浇注成形等)难以实现高精度复杂结构刚度可控材料器件的成形，本发明采用的紫外光固化增材制造技术制造复杂结构刚度可控材料器件摆脱了传统成形工艺精度差、加工成本高的问题，将复杂的三维加工分解成简单二维加工的叠加，可实现对任意复杂形状零件的加工；不必采用传统的加工机床或加工模具，只需传统加工方法30％～50％的工时和20％～35％的成本，即可直接制造产品。

2、本发明提采用的增材制造技术无需使用模具、夹具，采用离散/堆积成形的原理，一次加工成形，避免通过传统工艺首先设计、制造模具或喷头，因此具有制造工艺简单的特点。

3、本对于复杂结构刚度可控材料器件，传统方法难以实现，且精度较差，采用本发明提供的工艺方法可达到20μm的加工精度，因此具有成形精度高的特点。

4、本发明提供刚度可控材料的原料制备成标准测样件，经热动态机械分析后，发现该样件在玻璃化转变温度上下的机械特性有巨大差异，玻璃态杨氏模量值是橡胶态杨氏模量值的近500倍，刚度变化范围较宽，模量随温度的变化显著并且响应速度较快，具有优异的刚度可控性能。

5、对于不同种类的光引发剂，由于对紫外光吸收率的不同，紫外光固化增材制造工艺参数的控制对成型件性能的影响显著，需要针对不同种类、含量光引发剂的原料进行增材制造工艺参数计算、试验，最终得到最优的工艺参数。

附图说明

图1为光敏材料固化速度随光引发剂含量的变化曲线；

图2为不同光引发剂的吸收光谱图；

图3为螺旋圆管状结构刚度可控材料器件的二视图；其中，a为俯视图，b为正视图；

图4为紫外光增材制造刚度可控材料器件的热动态机械性能曲线图。

具体实施方式

本发明提供的一种面向增材制造技术的刚度可控材料配方的成分及质量份配比如下：

丙烯酸酯低聚物为10～40份；

丙烯酸烷基酯为60～90份；

紫外光光引发剂为0.1～3份。

本发明提供的一种面向增材制造技术的刚度可控材料的制备方法包括以下步骤：

1)紫外光固化成形原料的种类包括刚度可控材料中固定相材料、可逆相材料、紫外光光引发剂。按材料配方中各成分的质量份将丙烯酸酯低聚物、丙烯酸烷基酯、紫外光光引发剂依次混合，置于50～60℃水浴锅中加热2～5分钟，搅拌均匀，配制成光固化原料；且丙烯酸酯低聚物即为固定相材料，丙烯酸烷基酯即为可逆相材料；

其中，丙烯酸酯低聚物为芳香酸甲基丙烯酸半酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、酚醛环氧丙烯酸脂、水溶性聚酯丙烯酸、烷基环氧-三丙烯酸酯、聚丁二烯丙烯酸酯中的一种或多种任意比例混合而成；

丙烯酸烷基酯为丙烯酸叔丁酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸十二烷基酯、丙烯酸十八烷基酯中的一种或多种任意比例的混合而成；

紫外光光引发剂为α-羟基酮、苯基乙二酰酯、苯基二甲基缩酮、α-氨基酮、2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮中的一种或多种任意比例混合而成。

2)建立刚度可控材料器件的三维模型，对三维模型表面进行离散化，生成三维数字模型文件，该三维数字模型文件经支撑添加、模型分层离散化以及加工路径生成后导出增材制造设备能够识别的加工文件；根据加工文件，将固化原料利用紫外光固化增材制造工艺制造成刚度可控材料器件；其中，紫外光固化增材制造工艺在增材制造时的紫外光波长365～395nm，功率为0.2～150W；紫外光固化增材制造工艺的工艺参数为：分层厚度为0.05～0.2mm；扫描间距为0.02～0.2mm；扫描速度为500～2000mm/s。

且紫外光引发剂为2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮时，紫外光引发剂的质量份数为3份，紫外光固化增材制造工艺的工艺参数中分层厚度为0.05mm，扫描间距为0.05mm，扫描速度为1000mm/s；紫外光引发剂为苯基二甲基缩酮时，紫外光波长为395nm，功率为0.2W

下面结合具体的实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，以下实施例仅是对本发明做出的解释，并不仅限于此。

实施例1：

刚度可控材料器件螺旋圆管：

1)以质量份数计，将10份的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、87份的丙烯酸叔丁酯、3份的2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮依次混合，置于50℃水浴锅中加热5分钟，搅拌均匀，形成光固化原料；由于2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮对光固化成形速度影响较大，所以，2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮的含量是根据图1所示光敏材料固化速度随2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮含量的变化曲线确定的；

2)利用UG软件创建螺旋圆管状刚度可控材料器件的三维模型，如图3所示，模型尺寸数据：圆管外径12mm、内径10mm、螺距8mm；对三维模型表面进行离散化，设置三角公差及相邻公差为0.0025以生成螺旋圆管件三维数字模型文件，导出三维模型数字文件——STL文件；该三维数字模型文件经支撑添加、模型分层离散化以及加工路径生成后导出增材制造设备能够识别的加工文件；根据加工文件，利用紫外光固化增材制造设备制造刚度可控材料器件。其中，不同的光引发剂对不同波长的紫外光的吸收率是不同的，因此，根据图2所示不同光引发剂的吸收光谱图，选择紫外光的波长为380nm，功率为0.375W；选择紫外光固化增材制造的分层厚度为0.05mm，扫描间距为0.05mm，扫描速度为1000mm/s。

对紫外光固化增材制造得到的刚度可控材料进行热动态机械性能测试，结果如图4所示，成型材料在玻璃化转变温度上下的机械特性有巨大差异，玻璃态杨氏模量值是橡胶态杨氏模量值的近500倍。

实施例2：

1)以质量份数计，将37份的芳香酸甲基丙烯酸半酯、60份的丙烯酸十二烷基酯、1份的2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮依次混合，置于60℃水浴锅中加热2分钟，搅拌均匀，形成光固化原料；由于2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮对光固化成形速度影响较大，所以，2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮的含量是根据图1所示光敏材料固化速度随2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮含量的变化曲线确定的；

2)利用UG软件创建螺旋圆管状刚度可控材料器件的三维模型，如图3所示，模型尺寸数据：圆管外径12mm、内径10mm、螺距8mm；对三维模型表面进行离散化，设置三角公差及相邻公差为0.0025以生成螺旋圆管件三维数字模型文件，导出三维模型数字文件——STL文件；该三维数字模型文件经支撑添加、模型分层离散化以及加工路径生成后导出增材制造设备能够识别的加工文件；根据加工文件，利用紫外光固化增材制造设备制造刚度可控材料器件。其中，不同的光引发剂对不同波长的紫外光的吸收率是不同的，因此，根据图2所示不同光引发剂的吸收光谱图，选择紫外光的波长为365nm，功率为150W；选择紫外光固化增材制造的分层厚度为0.05mm，扫描间距为0.05mm，扫描速度为1000mm/s。

实施例3：

1)以质量份数计，将10份的水溶性聚酯丙烯酸、30份的烷基环氧-三丙烯酸酯、75份的丙烯酸甲酯、0.1份的苯基乙二酰酯依次混合，置于55℃水浴锅中加热3分钟，搅拌均匀，形成光固化原料；

2)利用UG软件创建螺旋圆管状刚度可控材料器件的三维模型，如图3所示，模型尺寸数据：圆管外径12mm、内径10mm、螺距8mm；对三维模型表面进行离散化，设置三角公差及相邻公差为0.0025以生成螺旋圆管件三维数字模型文件，导出三维模型数字文件——STL文件；该三维数字模型文件经支撑添加、模型分层离散化以及加工路径生成后导出增材制造设备能够识别的加工文件；根据加工文件，利用紫外光固化增材制造设备制造刚度可控材料器件。其中，紫外光固化增材制造工艺在增材制造时的紫外光波长395nm，功率为0.2W；紫外光固化增材制造工艺的工艺参数为：分层厚度为0.2mm；扫描间距为0.02mm；扫描速度为2000mm/s。

实施例4：

1)以质量份数计，将10份的酚醛环氧丙烯酸脂、30份的烷基环氧-三丙烯酸酯、30份的丙烯酸甲酯、60份的丙烯酸十八烷基酯、0.5份的苯基二甲基缩酮依次混合，置于55℃水浴锅中加热3分钟，搅拌均匀，形成光固化原料；

2)利用UG软件创建螺旋圆管状刚度可控材料器件的三维模型，如图3所示，模型尺寸数据：圆管外径12mm、内径10mm、螺距8mm；对三维模型表面进行离散化，设置三角公差及相邻公差为0.0025以生成螺旋圆管件三维数字模型文件，导出三维模型数字文件——STL文件；该三维数字模型文件经支撑添加、模型分层离散化以及加工路径生成后导出增材制造设备能够识别的加工文件；根据加工文件，利用紫外光固化增材制造设备制造刚度可控材料器件。其中，紫外光固化增材制造工艺在增材制造时的紫外光波长395nm，功率为0.2W；紫外光固化增材制造工艺的工艺参数为：分层厚度为0.1mm；扫描间距为0.08mm；扫描速度为500mm/s。

实施例5：

1)以质量份数计，将10份的聚丁二烯丙烯酸酯、87份的丙烯酸十八烷基酯、1份的α-羟基酮、2份的α-氨基酮依次混合，置于55℃水浴锅中加热3分钟，搅拌均匀，形成光固化原料；

2)利用UG软件创建螺旋圆管状刚度可控材料器件的三维模型，如图3所示，模型尺寸数据：圆管外径12mm、内径10mm、螺距8mm；对三维模型表面进行离散化，设置三角公差及相邻公差为0.0025以生成螺旋圆管件三维数字模型文件，导出三维模型数字文件——STL文件；该三维数字模型文件经支撑添加、模型分层离散化以及加工路径生成后导出增材制造设备能够识别的加工文件；根据加工文件，利用紫外光固化增材制造设备制造刚度可控材料器件。其中，紫外光固化增材制造工艺在增材制造时的紫外光波长395nm，功率为60W；紫外光固化增材制造工艺的工艺参数为：分层厚度为0.15mm；扫描间距为0.1mm；扫描速度为500mm/s。

Claims (8)

1.一种面向增材制造技术的刚度可控材料，其特征在于：以质量份数计，包括10～40份的丙烯酸酯低聚物、60～90份的丙烯酸烷基酯、0.1～3份的紫外光光引发剂。

2.根据权利要求1所述的面向增材制造技术的刚度可控材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将丙烯酸酯低聚物、丙烯酸烷基酯、紫外光光引发剂混合，置于50～60℃水浴锅中加热2～5分钟，搅拌均匀，配制成光固化原料；

2)建立刚度可控材料器件的三维模型，对三维模型表面进行离散化，生成三维数字模型文件，该三维数字模型文件经支撑添加、模型分层离散化以及加工路径生成后导出增材制造设备能够识别的加工文件；根据加工文件，将光固化原料利用紫外光固化增材制造工艺制造成刚度可控材料器件；其中，紫外光固化增材制造工艺在成形时的紫外光波长365～395nm，功率为0.2～150W。

3.根据权利要求2所述的面向增材制造技术的刚度可控材料的制备方法，其特征在于：所述的丙烯酸酯低聚物为芳香酸甲基丙烯酸半酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、酚醛环氧丙烯酸脂、水溶性聚酯丙烯酸、烷基环氧-三丙烯酸酯、聚丁二烯丙烯酸酯中的一种或多种任意比例混合而成。

4.根据权利要求2所述的面向增材制造技术的刚度可控材料的制备方法，其特征在于：所述的丙烯酸烷基酯为丙烯酸叔丁酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸十二丁酯、丙烯酸十八烷基酯中的一种或多种任意比例的混合而成。

5.根据权利要求2所述的面向增材制造技术的刚度可控材料的制备方法，其特征在于：所述的紫外光光引发剂为α-羟基酮、苯基乙二酰酯、苯基二甲基缩酮、α-氨基酮、2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮中的一种或多种任意比例混合而成。

6.根据权利要求5所述的面向增材制造技术的刚度可控材料的制备方法，其特征在于：所述的紫外光引发剂为2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮时，紫外光引发剂的质量份数为3份，紫外光固化增材制造工艺的工艺参数中分层厚度为0.05mm，扫描间距为0.05mm，扫描速度为1000mm/s。

7.根据权利要求5所述的面向增材制造技术的刚度可控材料的制备方法，其特征在于：所述的紫外光引发剂为苯基二甲基缩酮时，紫外光波长为395nm，功率为0.2W。

8.根据权利要求2所述的面向增材制造技术的刚度可控材料的制备方法，其特征在于：所述的紫外光固化增材制造工艺的工艺参数为：分层厚度为0.05～0.2mm；扫描间距为0.02～0.2mm；扫描速度为500～2000mm/s。