CN106346774B - 一种固体推进剂的增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固体推进剂的增材制造方法，将固体推进剂原料与溶剂连续混合塑化，将混合塑化后含溶剂的物料经过预成型机挤压成料条，再将料条采用螺杆式喂料器输送到成型装置，由成型装置的喷头挤出并逐层粘接成型，喷头的运动路径由三维运动控制器控制，成型过程中溶剂被热风带走，得到密实的推进剂药柱。该方法可在较低温度和较低压力下安全地制备出固体推进剂药柱，适用于复杂结构和大尺寸热塑性固体推进剂药柱的成型制造，具有过程安全、不需要成型模具、成型效率高等特点。

Description

一种固体推进剂的增材制造方法
技术领域
本发明涉及固体推进剂的成型加工方法，特别是一种热塑性固体推进剂的增材制造方法。
背景技术
传统的热塑性固体推进剂成型制造主要是采用螺压成型工艺，随着成型尺寸的增加，设备系统也越来越庞大，成型所需要的压力成倍提高，成型制造系统的能源消耗增加，制造难度显著增大，综合制造成本大幅度提高。更重要的是推进剂的成型质量控制的难度也加大，制造过程发生燃爆事故的危险性提高。对于高固体含量较高的热塑性高能固体推进剂，物料的分散均匀性和力学性能的稳定性是决定使用性能的关键质量指标。采用螺压挤出工艺制备固体推进剂时，随着填料比例的提高成型压力会大幅度提高，有时高达30MPa以上，成型需要的温度也会随固体填料的增加而提高。要求螺杆挤出设备的整体强度和部件的强度非常高，设备体积也相应增大。固体填料的引入还会带来物料塑化程度不够、物料分散不均匀、块体材料的密实性不够等问题。目前，解决上述问题的主要方法主要采用更大尺寸、强度更高的成型设备，不仅增加制造成本，生产效率也比较低。此外，采用传统的螺压工艺制备热塑性的固体推进剂，无法实现一些形状复杂和多材质复合的变燃速推进剂药柱。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以采用较小的设备制造大尺寸和复杂形状的热塑性固体推进剂的增材制造方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种固体推进剂的增材制造方法，是将固体推进剂原料与溶剂混合塑化，将混合塑化后含溶剂的物料经过预成型机挤压成料条，再将料条采用螺杆式喂料器输送到成型装置，由螺杆式挤出成型装置的打印喷头挤出并逐层粘接成型，喷头的运动路径由三维运动控制器控制，在移动的打印头处设置精密控温的热风口，成型过程中溶剂被热风带走，得到密实的推进剂药柱。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：1)采用较小的设备制造大尺寸的固体推进剂，成型设备系统的重量和体系显著减小；2)通过溶剂法物料混合，较好地解决传统成型方法所导致物料分散不均匀、塑化程度不够的问题；3)增材制造方法制备固体推进剂可以实现复杂结构药柱或多材质变燃速推进剂的一次成型；4)具有过程安全、成型效率高的优点；5)通过在喷头出吹热风，可以保证制备出的药柱密实性良好。
附图说明
图1为本发明固体推进剂增材制造的工艺过程示意图。
具体实施方式
结合图1，本发明的一种固体推进剂的增材制造方法，包括以下步骤：
步骤1、固体推进剂原料与溶剂混合塑化，得到含溶剂的面团状物料；所述固体推进剂为可以被溶剂溶解的热塑性固体推进剂，推进剂原料包含粘合剂和固体填料，固体填料占固体推进剂总质量的0％-80％；
所述粘合剂为聚氨酯弹性体、聚叠氮缩水甘油醚、3-叠氮甲基-3-甲基环氧丁烷聚合物、3,3-双(叠氮甲基)环氧丁烷聚合物、乙基纤维素、醋酸纤维素、乙酸丁酸纤维素、端羟基聚丁二烯、硝化纤维素中的一种或两种以上混合物；
所述固体填料为高氯酸铵、黑索今、奥克托金、FOX-7、CL-20、TKX-50、二硝酰胺铵盐、硝仿肼、铝粉、镁铝合金粉的一种或两种以上混合物；
所述溶剂为甲醇、乙醇、乙醚、丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯、二氯甲烷、四氢呋喃中的一种或两种以上的混合物。
步骤2、将步骤1得到的混合塑化后含溶剂的物料经过预成型机挤压成料条，所述的预制成型的料条直径为3.0-20.0mm；
步骤3、将步骤2得到的料条采用螺杆式喂料器输送到成型装置，由螺杆式挤出成型装置的喷头挤出；所述成型装置的喷头处的挤出压力为0.1-5.0MPa，喷头处的温度为40-70℃，喷头出口直径为1.0-5.0mm。
步骤4、将步骤3喷头挤出的物料在三维运动平台上逐层堆砌成型，在打印喷头处设置用于控温的热风口，在成型过程中将溶剂用热风吹走，得到密实的推进剂药柱。堆砌成型时，增材成型的分层厚度为0.05-1.0mm；喷头处所送的热风温度范围为50-100℃。
下面进行更详细的描述。
一种固体推进剂的增材制造方法，包括以下步骤：
步骤1、固体推进剂原料与溶剂混合塑化，得到含溶剂的面团状物料；所述固体推进剂是可以被溶剂溶解的热塑性固体推进剂，推进剂原料包含粘合剂、固体填料，所述固体推进剂是以聚氨酯弹性体、聚叠氮缩水甘油醚、3-叠氮甲基-3-甲基环氧丁烷聚合物、3,3-双(叠氮甲基)环氧丁烷聚合物、乙基纤维素、醋酸纤维素、乙酸丁酸纤维素、端羟基聚丁二烯、硝化纤维素中的一种或两种以上混合物作为粘合剂。所述固体推进剂是以高氯酸铵、黑索今、奥克托金、FOX-7、CL-20、TKX-50、二硝酰胺铵盐、硝仿肼、铝粉、镁铝合金粉的一种或两种以上混合物作为固体填料，固体填料占固体推进剂总质量的0％-80％。所述溶剂为甲醇、乙醇、乙醚、丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯、二氯甲烷、四氢呋喃中的一种或一种以上的混合物。
步骤2、将步骤1得到的混合塑化后含溶剂的物料经过预成型机挤压成料条，所述的预制成型的料条直径为3.0-20.0mm；
步骤3、将将步骤2得到的料条采用螺杆式喂料器输送到成型装置，由螺杆式挤出成型装置的打印喷头挤出；所述的挤出成型装置由螺杆、套筒、打印喷头、加热部件、恒温控制器组成。成型装置的打印喷头处的挤出压力为0.1-5.0MPa，挤出喷头处的温度为40-70℃，打印喷头出口直径为1.0-5.0mm。
步骤4、将步骤3打印喷头挤出的物料在三维运动平台上逐层堆砌成型，喷头的运动路径由三维运动控制器控制，在打印喷头处设置精密控温的热风口，成型过程中溶剂被热风带走，得到密实的推进剂药柱。增材成型的分层厚度为0.05-1.0mm。打印喷头处所送的热风温度范围为50-100℃。
区别于传统的高压状态下完成的无溶剂法成型工艺，本发明借助惰性溶剂的方法，将需要成型的固体推进剂物料安全地混合塑化，并通过预制料条将含溶剂的料条逐层叠加，安全地制造出密实的固体推进剂。
为了更好地说明本发明的实施方法，下面进行举例阐述，这些过程和工艺条件并不代表发明的全部。只要是通过溶剂法预混塑化和三维堆砌成型制备推进剂的方法均可以被使用，不违背本发明的技术方案。
实施例1
选用软化点为70℃的聚氨酯热塑性弹性体为粘合剂，在聚氨酯热塑性弹性体中加入粒径小于200μm的黑索今作为固体填料，黑索今占成品推进剂质量百分含量为70％进行配料。
采用溶剂法混合工艺，先将溶剂加入到捏合机中，再逐步把聚氨酯热塑性弹性体溶解到溶剂中形成溶胶，然后把黑索今分5批分散到溶胶中，继续捏合混合60分钟。溶剂选用乙酸乙酯，用量为固体物料质量的80％。将混合均匀后含溶剂的物料经过预成型机挤压成直径为5mm的料条。将含溶剂的直径5mm的料条采用螺杆式喂料器输送到挤出成型装置，挤出成型装置由螺杆、套筒、打印喷头、加热部件、恒温控制器组成。物料从螺杆式挤出成型装置的打印喷头挤出，并在三维运动平台上逐层堆砌成型，喷头的运动路径由三维运动控制器控制，在打印喷头处设置精密控温的热风口，成型过程中溶剂被热风带走，打印喷头直径为1.0mm，打印过程中设定的层厚为0.3mm，喷头出口的挤出压力为1.0MPa，挤出喷头处的温度为50-60℃，热风温度控制在60-70℃，制得推进剂样品的密度为1.50g/cm3，为理论密度的95.5％，取样测试样品轴向的抗拉强度为2.20MPa，推进剂样品的尺寸误差小于0.5mm。工艺过程示意图参见图1。
实施例2-11
采用与实施例1相同的原料和成型工艺过程，仅改变黑索今的配比、成型制备过程中预制料条的直径、打印喷头出口直径、喷头挤出压力、打印成型分层厚度等工艺参数，其他工艺参数与实施例1相同，制备的推进剂样品的相对密度和抗拉强度如下表所示。
实施例12-21
采用与实施例1相同的成型工艺过程，仅改变粘合剂种类及配比、固体填料的种类及配比、溶剂种类和用量、热风温度等工艺参数，其他工艺参数与实施例1相同，制备的推进剂样品的相对密度和抗拉强度如下表所示。
从实施例10-21的结果可以看出，采用不同粘合剂和固体填料在合适的溶剂及用量条件下，都可以顺利地完成成型加工，得到密实性和力学性能满足使用要求的固体推进剂样品。
实施例22-29
采用与实施例1相同的成型工艺过程，仅改变固体推进剂配方中粘合剂的种类及用量、氧化剂或高能炸药等固体填料种类及用量、物料混合所用溶剂，其他
参数与实施例1相同，制备的固体推进剂样品密度和力学性能如下表所示。
通过以上实例可以看出，采用本发明方法制备固体推进剂，工艺过程简单，可以采用较低的温度和压力下便可以制备出的药柱。在物料配比和工艺条件下，都可以顺利地完成成型加工，得到密实性和力学性能满足使用要求的固体推进剂样品。

Claims (3)

1.一种固体推进剂的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、固体推进剂原料与溶剂混合塑化，得到含溶剂的面团状物料；所述固体推进剂为可以被溶剂溶解的热塑性固体推进剂，推进剂原料包含粘合剂和固体填料，固体填料占固体推进剂总质量的0％-80％；
所述粘合剂为聚氨酯弹性体、聚叠氮缩水甘油醚、3-叠氮甲基-3-甲基环氧丁烷聚合物、3,3-双(叠氮甲基)环氧丁烷聚合物、乙基纤维素、醋酸纤维素、乙酸丁酸纤维素、端羟基聚丁二烯、硝化纤维素中的一种或两种以上混合物；
所述固体填料为高氯酸铵、黑索今、奥克托金、FOX-7、CL-20、TKX-50、二硝酰胺铵盐、硝仿肼、铝粉、镁铝合金粉的一种或两种以上混合物；
所述溶剂为甲醇、乙醇、乙醚、丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯、二氯甲烷、四氢呋喃中的一种或两种以上的混合物；
步骤2、将步骤1得到的混合塑化后含溶剂的物料经过预成型机挤压成料条，所述的预制成型的料条直径为3.0-20.0mm；
步骤3、将步骤2得到的料条采用螺杆式喂料器输送到成型装置，由螺杆式挤出成型装置的喷头挤出；
步骤4、将步骤3喷头挤出的物料在三维运动平台上逐层堆砌成型，在打印喷头处设置用于控温的热风口，在成型过程中将溶剂用热风吹走，得到密实的推进剂药柱。
2.根据权利要求1所述的固体推进剂的增材制造方法，其特征在于，步骤3中成型装置的喷头处的挤出压力为0.1-5.0MPa，喷头处的温度为40-70℃，喷头出口直径为1.0-5.0mm。
3.根据权利要求1所述的固体推进剂的增材制造方法，其特征在于，步骤4中堆砌成型时，增材成型的分层厚度为0.05-1.0mm；喷头处所送的热风温度范围为50-100℃。
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