CN104924514A

CN104924514A - 一体化强化泡沫夹芯板及其制备方法

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Publication number: CN104924514A
Application number: CN201510328840.5A
Authority: CN
Inventors: 冯鹏; 孟鑫淼
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2015-06-15
Filing date: 2015-06-15
Publication date: 2015-09-23
Anticipated expiration: 2035-06-15
Also published as: CN104924514B

Abstract

本发明公开了一种一体化强化泡沫夹芯板及其制备方法，该方法包括：(1)提供3D打印机可识别的STL格式的三维夹芯板面层及内部强化结构的一体化设计模型文件；(2)将所述一体化设计模型文件进行数字化横截面切片，以便得到一体化设计模型文件切片数据；(3)采用3D打印机逐层打印所述一体化设计模型文件切片数据，以便得到夹芯板强化结构件；以及(4)向所述夹芯板强化结构件内部空腔中填充泡沫材料，以便获得一体化强化泡沫夹芯板。该方法可以显著提高强化泡沫夹芯板的生产效率，并且可以一体化制备得到变厚度、变曲率等复杂形体的强化泡沫夹芯板。

Description

一体化强化泡沫夹芯板及其制备方法

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体而言，本发明涉及一种一体化强化泡沫夹芯板及其制备方法。

背景技术

泡沫夹芯板由于其优异的保温、隔热、吸音、防潮能力，成为当前研究与应用的重点。荷载作用下，面层承担夹芯板的主要弯矩，而泡沫夹芯部分主要承受剪力，同时保证上下面层的可靠连接。常用的泡沫芯材有聚氨酯(PU)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚醚酰亚胺(PEI)及聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)等泡沫，其中PS泡沫通常作为浮力材料，而非结构用途。PU、PVC、PMI及PEI通常作为结构材料，但PVC、PMI、PEI价格较高，制造工艺复杂，常用于航空航天用途，而PU则成为低成本、低应力夹芯板中广泛使用的夹芯材料。与蜂窝夹芯板相比，泡沫夹芯板存在抗压强度及抗剪强度低、夹芯与面层粘结强度低等问题。因此实际使用时通常采用强化泡沫夹芯的方法改善其力学特性。常用的强化方法通常分为前置法、后置法。其中前置法是在发泡前在发泡原料中增加增强体，如添加短纤维、增加蜂窝增强体等；后置法是在发泡后的夹芯板内增加增强体，如Z-pin法、缝纫法等，其中Z-pin法又分为X-cor和K-cor法。但现有方法均工序复杂、施工工艺较难控制，且很难应用于曲面夹芯板及变厚度夹芯板，因此现有的制备夹芯板的技术有待进一步改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种一体化强化泡沫夹芯板及其制备方法，该方法可以大幅度简化生产流程，显著提高强化泡沫夹芯板的生产效率，并且可以制备得到变厚度、变曲率等复杂形体的一体化强化泡沫夹芯板。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备一体化强化泡沫夹芯板的方法，包括：

(1)提供3D打印机可识别的STL格式的三维夹芯板面层及内部强化结构的一体化设计模型文件；

(2)将所述一体化设计模型文件进行数字化横截面切片，以便得到一体化设计模型文件切片数据；

(3)采用3D打印机逐层打印所述一体化设计模型文件切片数据，以便得到夹芯板强化结构件；以及

(4)向所述夹芯板强化结构件内部空腔中填充泡沫材料，以便获得一体化强化泡沫夹芯板。

根据本发明实施例的制备一体化强化泡沫夹芯板的方法通过采用3D打印技术可以快速制备得到一体化强化夹芯板结构件，从而减少内部强化结构与外部面层的连接工序，同时充当泡沫发泡容器，显著提高强化泡沫夹芯板的生产效率，并且可以大幅降低强化泡沫夹芯板的生产成本，同时该方法所得强化夹芯板结构件具有优异的可设计性，从而可以制备得到变厚度、变曲率等复杂形体的一体化强化泡沫夹芯板，另外采用该方法所得强化泡沫夹芯板具有优异的抗压强度和抗剪强度。

另外，根据本发明上述实施例的制备一体化强化泡沫夹芯板的方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，在步骤(3)中，所述夹芯板强化结构件的面层与内部强化结构是采用挤出堆积成型、三维粉末粘结成型、选择性激光烧结成型、熔融沉积成型、数字光处理成型或立体光固化成型得到的。由此，可以根据受力需求优化截面设计，从而可以显著提高强化泡沫夹芯板的抗压强度和抗剪强度。

在本发明的一些实施例中，所述夹芯板强化结构件为杆系结构件或表面开洞的板壳结构件，所述板壳结构件的表面开洞的截面呈圆形、椭圆、菱形、矩形中的至少一种。由此，能够形成连续的发泡空间，并可以进一步提高泡沫夹芯板的抗压强度和抗剪强度。

在本发明的一些实施例中，所述夹芯板强化结构件为一体化成型。由此，通过面层与内部强化结构的一体化成型，减少了面层与内部强化结构的连接工序，大幅度提高了生产效率，同时显著增加了面层与内部强化结构的粘接性能。

在本发明的一些实施例中，所述内部空腔为连续封闭空腔，可直接进行泡沫发泡。由此，一体化成型的夹芯板结构件可以充当泡沫发泡的容器，减少了发泡模具的使用，增加了生产效率，同时增加了泡沫与面层及强化结构的粘接性能。

在本发明的一些实施例中，所述泡沫材料为硬质闭孔泡沫。由此，可以进一步提高泡沫夹芯板的抗压强度和抗剪强度。

在本发明的一些实施例中，所述硬质闭孔泡沫为选自聚氨酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚醚酰亚胺和聚甲基丙烯酰亚胺中的至少一种。由此，可以进一步提高泡沫夹芯板的抗压强度和抗剪强度。

在本发明的另一个方面，本发明提出了一种泡沫夹芯板。根据本发明的实施例，包括：夹芯板强化结构件，所述夹芯板强化结构件内部具有空腔，并且所述空腔中填充有泡沫材料，

其中，所述夹芯板强化结构件包括：

面层，所述面层中限定出容纳空间；

强化结构件，所述板强化结构件位于所述容纳空间中。

根据本发明实施例的一体化强化泡沫夹芯板为一体化强化夹芯板结构件，同时该强化夹芯板结构件具有优异的可设计性，从而可以制备得到变厚度、变曲率等复杂形体的一体化强化泡沫夹芯板，另外该强化泡沫夹芯板具有优异的抗压强度和抗剪强度。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的制备一体化强化泡沫夹芯板的方法流程示意图；

图2是根据本发明再一个实施例的制备一体化强化泡沫夹芯板的方法中3D打印技术强化泡沫夹芯板制造过程；

1. 3D打印一体化夹芯板结构件，101—发泡材料注入口，102—发泡出气口，103—强化结构，104—面层；2.注入发泡材料，发泡形成填充泡沫；3.强化泡沫夹芯板

图3是根据本发明一个实施例的一体化强化泡沫夹芯板的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备一体化强化泡沫夹芯板的方法。下面参考图1-2对本发明实施例的制备一体化强化泡沫夹芯板的方法进行详细描述。根据本发明的实施例，该方法包括：

S100：提供3D打印机可识别的STL格式的三维夹芯板面层及内部强化结构的一体化设计模型文件

根据本发明的实施例，提供3D打印机可识别的STL格式的三维夹芯板面层及内部强化结构的一体化设计模型文件。根据本发明的具体实施例，可以采用计算机辅助软件完成三维夹芯板结构件一体化建模，根据本发明的具体示例，所采用的计算机辅助软件可以为AutoCAD、Rhinoceros、3DS MAX和Sketchup的其中一种，也可以利用结构有限元分析软件通过优化设计得到三维蜂窝夹芯模型文件，该模型文件同时包含面层和内部强化结构，然后将所得到的三维夹芯板结构件模型文件转换成3D打印机可识别的STL格式的一体化设计模型文件。其中，所得三维蜂窝夹芯模型可以为由封闭的面构成的三维实体模型。

S200：将一体化设计模型文件进行数字化横截面切片，以便得到一体化设计模型文件切片数据

根据本发明的实施例，在得到3D打印机可识别的STL格式的一体化设计模型文件之后，将得到的3D打印机可识别的STL格式的三维夹芯板面层及内部强化结构的一体化设计模型文件进行数字化横截面切片，从而可以得到一体化设计模型文件切片数据。具体的，为了连续流畅的打印每一层，采用3D打印机配套软件对一体化设计模型文件首先进行打印流程优化，包括打印路径的优化、打印支撑的生成，然后进行数字化横截面切片，生成高效、连续、流畅的打印路径。

S300：采用3D打印机逐层打印所述一体化设计模型文件切片数据

根据本发明的实施例，将上述得到的一体化设计模型文件切片数据按顺序传输至3D打印机，采用3D打印机逐层打印一体化设计模型文件切片数据，从而可以得到夹芯板强化结构件。发明人发现，基于3D打印技术分层打印、逐层叠加的原理，采用3D打印技术可以一体化快速制备得到夹芯板强化结构件，从而显著提高强化泡沫夹芯板的生产效率，同时采用3D打印技术过程材料消耗小，打印出的夹芯板结构件可以充当泡沫发泡填充时的模具，从而可以显著降低泡沫夹芯板的生产成本，另外所得夹芯板结构件具有优异的可设计性，从而可以制备得到变厚度、变曲率等复杂形体的泡沫夹芯板，并且采用该方法所得泡沫夹芯板具有优异的抗压强度和抗剪强度。

根据本发明的实施例，采用3D打印机逐层打印过程中，夹芯板强化结构件的面层与内部强化结构的成型方式并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，可以采用挤出堆积成型、三维粉末粘结成型、选择性激光烧结成型、熔融沉积成型、数字光处理成型或立体光固化成型方式得到。具体的，将上述得到的一体化化设计切片数据按照顺序依次传输到3D打印机，采用3D打印机逐层打印S200所得到的切片数据，即可得到夹芯板强化结构件。

根据本发明的实施例，夹芯板强化结构件可以为杆系结构件或表面开洞的板壳结构件，并且板壳结构件的表面开洞的截面呈圆形、椭圆、菱形、矩形中的至少一种。由此，能够形成连续的发泡空间，并可以进一步提高泡沫夹芯板的抗压强度和抗剪强度。具体的，夹芯板内部强化结构形状可以根据受力需要进行设计。

根据本发明的实施例，夹芯板强化结构件可以为一体化成型。由此，通过面层与内部强化结构的一体化成型，减少了面层与内部强化结构的连接工序，大幅度提高了生产效率，同时显著增加了面层与内部强化结构的粘接性能。

S400：向夹芯板强化结构件中填充泡沫材料

根据本发明的实施例，在得到夹芯板强化结构件后，向所得到的夹芯板强化结构件中填充泡沫材料，从而可以获得一体化强化泡沫夹芯板。由此，可以制备得到具有优异抗压强度和抗剪强度的泡沫夹芯板。

根据本发明的实施例，夹芯板强化结构件内部空腔可以为连续封闭空腔，可直接进行泡沫发泡。由此，一体化成型的夹芯板结构件可以充当泡沫发泡的容器，减少了发泡模具的使用，增加了生产效率，同时增加了泡沫与面层及强化结构的粘接性能。

根据本发明的实施例，夹芯板强化结构件中填充的泡沫材料质量并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，通过改变发泡时的空气压力，填充泡沫材料的密度可以为50-250kg/m³。其中密度越高，强化夹芯结构的强度越高。根据本发明的实施例，泡沫材料的发泡工艺并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，泡沫材料的发泡工艺可以采用浇注发泡或喷涂发泡。由此，可以进一步提高泡沫夹芯板的抗压强度和抗剪强度。

根据本发明的实施例，泡沫材料的具体类型并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，泡沫材料可以为硬质闭孔泡沫，具体的，硬质闭孔泡沫可以为选自聚氨酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚醚酰亚胺和聚甲基丙烯酰亚胺中的至少一种。由此，可以进一步提高泡沫夹芯板的抗压强度和抗剪强度。

在本发明的另一个方面，本发明提出了一种一体化强化泡沫夹芯板。根据本发明的本发明的实施例，参考图3所示，该一体化强化泡沫夹芯板包括夹芯板强化结构件100，夹芯板强化结构件100内部具有空腔(未示出)，并且空腔中填充有泡沫材料。根据本发明的具体实施例，夹芯板强化结构件包括面层11和强化结构件12，其中，面层11中限定出容纳空间13，强化结构件12位于容纳空间中。由此，一体化强化泡沫夹芯板为一体化强化夹芯板结构件，同时该强化夹芯板结构件具有优异的可设计性，从而可以制备得到变厚度、变曲率等复杂形体的一体化强化泡沫夹芯板，另外该强化泡沫夹芯板具有优异的抗压强度和抗剪强度。

根据本发明的具体实施例，该一体化强化泡沫夹芯板采用上述制备一体化强化泡沫夹芯板的方法制备得到的。需要说明的是，上述针对制备一体化强化泡沫夹芯板的方法所描述的特征和优点同样适于该一体化强化泡沫夹芯板，此处不再赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种制备一体化强化泡沫夹芯板的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述夹芯板强化结构件的面层与内部强化结构是采用挤出堆积成型、三维粉末粘结成型、选择性激光烧结成型、熔融沉积成型、数字光处理成型或立体光固化成型得到的。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述夹芯板强化结构件为杆系结构件或表面开洞的板壳结构件，所述板壳结构件的表面开洞的截面呈圆形、椭圆、菱形、矩形中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述夹芯板强化结构件为一体化成型。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述夹芯板强化结构件内部空腔为连续封闭空腔，可直接进行泡沫发泡。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述泡沫材料为硬质闭孔泡沫。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述硬质闭孔泡沫为选自聚氨酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚醚酰亚胺和聚甲基丙烯酰亚胺中的至少一种。

8.一种一体化强化泡沫夹芯板，其特征在于，包括：夹芯板强化结构件，所述夹芯板强化结构件内部具有空腔，并且所述空腔中填充有泡沫材料，

其中，所述夹芯板强化结构件包括：

面层，所述面层中限定出容纳空间；以及

强化结构件，所述板强化结构件位于所述容纳空间中。

9.根据权利要求8所述的一体化强化泡沫夹芯板，其特征在于，所述夹芯板强化结构件为杆系结构件或表面开洞的板壳结构件，所述板壳结构件的表面开洞的截面呈圆形、椭圆、菱形、矩形中的至少一种。

10.根据权利要求8所述的一体化强化泡沫夹芯板，其特征在于，所述夹芯板强化结构件内部空腔为连续封闭空腔。