CN105773318A - 一种针对聚合物3d打印产品的浸没式超声波表面处理方法 - Google Patents

一种针对聚合物3d打印产品的浸没式超声波表面处理方法 Download PDF

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高田田
李泉
罗子敬
王珉
金涛
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    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B1/00—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes
    • B24B1/04—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes subjecting the grinding or polishing tools, the abrading or polishing medium or work to vibration, e.g. grinding with ultrasonic frequency

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Abstract

本发明公开了一种针对聚合物3D打印产品的浸没式超声波表面处理方法，涉及一种基于超声空化作用的表面处理技术，提高打印产品的表面质量。其特征在于：该方法利用超声空化的原理实现对产品表面粗糙度的处理。方法是：设计和制造超声波磨削装置，配置磨削液。在磨削池(1)中加入磨削液(5)，加热。利用支架(6)夹持3D打印产品(3)，调节位置。将产品浸没在磨削液中,启动超声波发生模块(2)，利用超声空化气泡爆破产生的激波带动磨削液中的磨料对产品表面进行物理冲击，实现对产品表面的加工。优点：对产品的尺寸和形状要求低、对材料的适用性广、低温加工避免材料熔融、能耗低、适合加工复杂曲面等。

Description

一种针对聚合物3D打印产品的浸没式超声波表面处理方法
技术领域
本发明属于聚合物3D打印产品的表面加工处理领域。涉及一种新的基于超声空化作用的表面处理技术，用于降低聚合物3D打印产品的表面纹路感，提高产品的表面质量。
背景技术
3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用聚合物或金属等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造。该技术在珠宝设计、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、军工以及其他领域都有所应用。然而3D打印技术也存在不少问题，导致其在推广运用上遇到瓶颈，其中之一就是其打印的产品表面粗糙度高，难以达到工业使用要求的标准。3D打印技术的加工原理决定了其产品的表面形貌较差，而且3D打印产品一般都会包含到复杂曲面，传统的研磨技术和设备很难完成对其表面的有效加工。
目前3D打印产品表面的工艺处理主要包括砂纸抛光、珠光处理、蒸汽平滑等,这些方法都不同程度的存在着各自的缺陷。砂纸打磨是3D打印产品后期抛光最常用、使用范围最广的技术，它是靠人手或机械驱动砂纸往复运动实现对表面的加工，其优点是价格低廉、设备要求低。该技术的缺点也十分明显，砂纸打磨精度难以掌握，而且由于聚合物熔点较低，砂纸与接触表面摩擦会使工件变热，导致加工失效，本方法也难以处理尺寸较小的产品或结构。珠光处理是操作人员手持喷嘴朝被抛光对象高速喷射介质小珠从而达到抛光的效果，由于整个过程需要用手拿着喷嘴，需要人工不断变换处理部位，且一次只能处理一个，因此本技术很难实现自动化和批量化生产。蒸汽平滑处理方法是将3D打印产品浸渍在蒸汽罐里，利用蒸汽上升融化零件表面，从而达到光滑闪亮的效果，由于该方法是利用溶剂与产品材料相溶原理实现的，因此对材料和溶剂的匹配性要求较为严苛。
发明内容
本发明基于超声波空化效应提出了一种浸没式超声波表面加工的方法，实现对聚合物3D打印产品表面粗糙度的处理。超声波作用于液体中会使流场中产生周期性的高频拉应力而形成负压区，压强的降低使液体中的气体过饱和析出形成气核。在超声波振动作用下气核不断生长、碰撞、合并形成不同尺度的气泡，一定条件下有些气泡会突然溃陷，在其周围产生几千个大气压的压力而形成微激波，释放出巨大的能量，并产生速度为100m/s量级具有强大冲击力的微射流，使碰撞密度高达1.5kg/cm2，瞬间产生局部高温高压(可达5000K，1800atm)，这就是超声波空化效应。而磨削液中的有效成分为金刚石或刚玉微粒等磨料，在超声波空化场中，剧烈的高密度空化会使液体中携带的悬浮磨料颗粒高速冲击工件表面而实现对工件表面的加工。这是一种全新的表面加工方法，它具有对产品的尺寸和形状要求低、对材料的适用性广、低温加工避免材料熔融、能耗低、适合加工复杂曲面等突出优点。
本发明的技术方案：首先，设计和制造超声波磨削装置，其主要由磨削池(1)、超声波发生及放大装置(2)、温度控制系统(4)三大部分构成。其次，配置磨削液(5)，磨削液(5)的主要有效成分为金刚石或刚玉微粒等磨料，根据被加工产品的表面质量选择微粒的粒径、乳化剂的配比、调整剂的配比等参数。在磨削池(1)中加入一定浓度的磨削液(5)后，利用温度控制系统(4)将磨削液(5)加热至所需温度，以达到良好的磨削效果。利用容器内的支架(6)来调节3D打印产品(3)在声场中的位置。将聚合物3D打印产品(3)浸没在磨削液(5)中,启动超声波发生模块(2)，利用超声空化气泡爆破产生的激波带动磨削液(5)中的磨料对产品表面进行物理冲击，实现对产品的表面处理。
本发明的浸没式超声波表面加工方法利用了超声空化原理来实现对3D打印产品的表面物理磨削，此方法具有磨削精度高、磨削物件材料限制因素少、方便安全、时间短、能磨削复杂产品表面、易于批量化和自动化生产等诸多优点。该方法有潜力成为处理聚合物3D打印产品的重要技术之一，具有很大的应用前景和市场价值。
附图说明
图1是超声磨削装配示意图。
图中：(1)磨削池；(2)超声波发生模块；(3)待加工产品；(4)温度控制系统；(5)磨削液；(6)可调整夹持支架
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
步骤一：根据待加工产品(3)的基体材料以及表面的粗糙程度配置磨削液(5),磨削液(5)中的磨料颗粒粒径的选择与产品表面的粗糙程度有关。将配好的磨削液(5)加入超声波磨削设备中的磨削池(1)中,启动温度控制模块(4)，加热至设定的温度；
步骤二：根据待加工产品(3)的形状特点，选择适当的夹持支架(6)，使待加工产品能够浸没在磨削液(5)中但又不与磨削池(1)的底面或侧壁接触，可同时在支架(6)上夹持多个代加工产品，或者在磨削液(5)中放置多个支架，用来实现产品的批量化加工。
步骤三：调整磨削设备上超声波模块(2)的振幅、功率、磨削时间等参数，使其与待磨削产品(3)相匹配，启动超声波发生模块(2)发出超声波，此时超声波会使磨削液(5)产生大量的空化气泡，这些微气泡会不断溃陷，产生微激波带动磨料高速冲击产品表面。
步骤四：待加工时间达到预先设定的时间后超声波模块关闭，取出待加工产品(3)，进行表面形貌测量，若达到加工要求加工过程结束，若未达到加工要求，调整超声波模块(2)的参数，重复以上步骤进行进一步加工。

Claims (4)

1.一种针对聚合物3D打印产品的浸没式超声波表面处理方法,其特征在于:该方法利用了超声空化的原理实现对聚合物3D打印产品表面粗糙度的处理。其方法是：首先，设计和制造超声波磨削装置以及根据待加工产品的材料和表面特征配置磨削液(5)。在磨削池(1)中加入一定浓度的磨削液(5)后，将磨削液(5)加热至所需温度，以达到良好的磨削效果。利用容器内的支架(6)夹持3D打印产品(3)，通过夹持支架(6)调节产品在声场中的位置。可同时在支架(6)上夹持多个待加工产品，或者在磨削液(5)中放置多个支架，用来实现产品的批量化加工。将聚合物3D打印产品(3)浸没在磨削液(5)中,启动超声波发生模块(2)，利用超声空化气泡爆破产生的激波带动磨削液(5)中的磨料对产品表面进行物理冲击，实现对产品表面的加工。该方法具有对产品的尺寸和形状要求低、对材料的适用性广、低温加工避免材料熔融、能耗低、适合加工复杂曲面等突出优点。
2.利用权利要求1所述的超声波磨削装置，其特征在于：该装置由磨削池(1)、超声波模块(2)、温度控制系统(4)、可移动式夹持支架(6)构成，其中超声波发生模块的位置有两种设计方案，一种设计在磨削池底部和四周(方案一)，另一种只设置在磨削池底部(方案二)；温度控制系统包括温度检测器，温度控制仪和加热器部分。
3.利用权利要求1所述的磨削液(5)的配置，其特征在于：其主要有效成分为金刚石或刚玉微粒等磨料，根据被加工产品的表面质量选择微粒的粒径、乳化剂的配比、调整剂以及材料软化液的配比等参数使其更适用于不同聚合物材料的表面加工。
4.利用权利要求1所述的待加工产品的夹持支架(6)的设计，其特征在于：夹持支架(6)为可调整式支架，可使待加工产品(3)能够浸没在磨削液(5)中但又不与磨削池(1)的底面或侧壁接触，同时夹持支架(6)可以在磨削池(1)中进行上、下、左、右位置的移动和调整，从而用以调整待加工产品(3)在声场中的位置。
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