CN106696252A - 一种高分子材料三维制品的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分子材料三维制品的制造方法。该方法先以增材制造的方法或者模具成型的方法制备获得三维制品的坯件，其中坯件的基体材料包括混合的高分子材料与导电材料；再将所述坯件置于电磁环境下，利用电磁感应的方式加热坯件至高分子材料熔融，高分子材料熔化并浸润坯件内其他材料，随后缓慢冷却至室温，即成形了形状与坯件相同，机械性能主要取决于高分子材料的三维制品。

Description

一种高分子材料三维制品的制造方法

技术领域

本发明涉及高分子材料制品成形技术领域，尤其是一种高分子材料三维制品的制造方法。

背景技术

高分子材料制品广泛用于社会生产、生活的各个领域。

常见的高分子材料制品制造方法主要包括：机械切削法、注塑成形法和增材制造法。

机械切削法是对高分子复合材料制作的毛坯件进行切削加工，去除多余的部分，保留下来的部分即为成品。主要优点在于制成品可获得较高的加工精度，主要缺点在于很难或无法加工形状极其复杂的产品，且加工过程产生大量切屑，造成材料浪费。

注塑成形法是将熔融态的高分子材料压入特定形状的模具，冷却后即获得制成品。其主要优点在于高效，大批量生产成本较低；主要缺点在于必需进行模具的设计和制造，小批量生产成本高。

增材制造是新型的高分子材料制造技术，主要包括粉末床熔融（SLS）、熔融沉积（FDM）、光固化（SLA）和材料直接喷射（POLYJET）等技术。其主要优点在于：能够制造形状复杂的物体，适于个性化定制；主要缺点在于：SLS技术需使用激光和振镜系统，成形空间控温技术复杂，需要气氛保护，因而成本较高，热成形后的冷却过程难以避免热应力变形；SLA技术也需使用激光和振镜系统，成本较高，需使用光敏树脂，材料选择范围受限； FDM技术的制成品层间结合强度较差； POLYJET技术对喷头有特殊的要求，成本相对较高。

本发明能避免上述高分子材料制品制造技术的缺点，可用低廉的成本生产出高品质的高分子材料制品。

发明内容

1.本发明提供了一种高分子材料三维制品的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

用增材制造的方法或者模具成型的方法制备获得三维制品的坯件，其中坯件的基体材料包括混合的高分子材料与导电材料；

将所述坯件置于电磁环境下，利用电磁感应的方式加热坯件至高分子材料熔融，冷却后获得三维制品。

2. 根据权利要求1所述的一种高分子材料三维制品的制造方法，其特征在于，所述增材制造的方法包括如下步骤：

使用挤压型热喷头向成形平面上挤出熔融态的基体材料，冷却形成三维制品的一个薄层；重复薄层的制作过程，通过层层堆积最终形成三维制品的坯件，其中基体材料中的高分子材料为热塑性高分子材料。

3.根据权利要求1所述的一种高分子材料三维制品的制造方法，其特征在于，所述坯件的基体材料还包括无机胶凝材料。

4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

将粉末状的高分子材料、导电材料和无机胶凝材料混合而成的基体材料均匀地铺展形成成形平面，使用喷头向成形平面选择性地喷射水基凝结剂，其中喷射区域为坯件在成形平面所对应的横截面区域，被水基凝结剂喷射区域的基体材料因无机胶凝材料的水化效应而快速凝结，形成三维制品的一个薄层；逐层的重复薄层的制作过程，通过层层堆积最终形成三维制品的坯件。

5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述的高分子材料包括热塑性高分子材料或热固性高分子材料。

6. 根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述无机胶凝材料包括石膏（气硬性无机胶凝材料）和硅酸盐水泥（水硬性无机胶凝材料）；与硅酸盐水泥相匹配的水基凝结剂成分包括水和速凝剂。

7.根据权利要求1所述的一种高分子材料三维制品的制造方法，其特征在于，所述的导电材料包括粉末状导电粒子或导电纤维，如：炭黑、石墨、石墨烯、金属粉，碳纤维、金属纤维或金属化玻璃纤维；导电材料粒径不超过200微米。

本发明提供的一种高分子材料三维制品的制造方法，其制造过程分为坯件生成和加温塑（固）化两大独立工艺阶段：

在前一阶段中，用挤压型热喷头向成形平面上挤出熔融态的热塑性高分子材料与导电材料的混合物，逐层叠加并堆积起三维制品的坯件；或令无机胶凝材料在凝结剂的作用下，将混于其中的高分子材料和导电材料逐层胶凝为一体，叠加形成三维制品的坯件；或将粉末状高分子材料、导电材料、无机胶凝材料构成的混合材料与水基凝结剂均匀搅拌后注入相应形状的模具，硬化生成三维制品的坯件。在此步骤中生成的坯件，已获得了产品所需的空间形状。

在后一阶段中，将上一步中以某种方式成形的三维制品坯件放置于交变电磁场内，坯件中导电材料颗粒内部产生涡电流并发热，坯件迅速升温至高分子材料熔点，致使其中的高分子材料熔化并浸润、填充坯件内部空隙，停止加热后缓慢降温至室温，即形成了高分子材料制品。

与包括增材制造在内的现有加工技术相比，本发明的有益效果是：

1.与SLS技术相比

省去了激光器和振镜系统（二者皆为该类设备上成本价格最高的精密核心器件，且目前完全依赖进口），生产过程无需保持成形腔室均匀且较高的温度场，省去了复杂的温度控制系统；无需气氛保护，省去了供气装置，降低了对设备的气密性要求，大大简化成形系统，减少能耗，从而可大幅降低成形设备制造成本和产品生产成本。

由于坯件成形是在室温下进行的，因而避免了SLS技术必然产生相应的热变形问题。

大大放宽了产品制造对材料的要求，可将前者产品生产过程的废弃料作为合格的原材料使用，从而大幅降低了产品的生产成本；

2.与FDM技术相比

制成品有着高得多的层间结合力，各挤压轨迹之间的空隙亦可将至最小，加固了制品，增强了制品的机械性能。

因为，用传统意义的FDM技术制作的产品，层与层之间的结合，是在有温度差的环境下完成的，也就是说后层是与已冷却的前层产生粘合，其层与层之间的结合强度仅为层平面方向的结合强度的1/3左右。

根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述增材制造的方法包括如下步骤：

使用挤压型热喷头向成形平面上挤出熔融态的基体材料，冷却形成三维制品的一个薄层；重复薄层的制作过程，通过层层堆积最终形成三维制品的坯件，其中基体材料中的高分子材料为热塑性高分子材料。这本已是一个完整的现有FDM技术的增材制造过程。

而由于基体材料中的含有导电材料，本发明将已成形的FDM产品作为坯件放入交变电磁场内，坯件中导电材料颗粒内部产生涡电流并发热，令坯件迅速升温至高分子材料熔点，致使其中的热熔性高分子材料熔化并浸润、填充坯件内部空隙，随即停止加热并缓慢降温至室温。此时，制品内部的层与层之间的结合，已更加牢固，实现了增强制品机械性能的目标。

3.与SLA技术相比

省去了激光器和振镜系统；不用光敏树脂，扩大了材料的选择范围；操作过程没有任何毒性或污染；同样可大幅降低成形设备制造成本和产品生产成本；

4.与POLYJET技术相比，低粘度的水基凝结剂，降低了对喷头的要求，从而降低设备成本；

5.与用石膏加粘合剂为材料的3DP技术相比，由于高分子材料经热熔后，浸润、填充坯件内部空隙，形成了完全不同于石膏基复合材料的高分子基材复合材料特性，使成形件的抗拉强度及断裂延伸率等机械性能均得以大幅增强。

6.无机胶凝材料所形成的胶凝空间结构，反过来成为了高分子材料内具有一定结构强度的结构性增强相，有利于提高制成品的机械性能；

7.本作为加热用途的粉末状导电粒子或导电纤维，在制成品中同时兼作了高分子复合材料的增强相，均可不同程度地提高制成品的机械性能；

8.无论热塑性还是热固性的高分子粉末材料，如尼龙、酚醛树脂，都可用本方法制作产品；

9.当运用本方法与传统模具生产工艺相结合，可以更低的成本实现高分子材料产品的批量制造。

附图说明

本申请的附图，用以说明具体实施步骤的构成。显见，附图给出的仅是本发明的一种设计方案实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些信息获得其他的附图。

附图1表示的是以粉末材料平铺方式制作高分子材料制品的流程；

附图2表示的是以熔融挤出方式制作、加固高分子材料制品的流程；

附图3表示的是运用本方法与传统模具生产工艺相结合，制作高分子材料制品的流程。

具体实施方式

下面将结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。所描述的实施例仅是本申请的两种实施例，而不是全部。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请采用附图给出的技术方案所对应的过程，实现高分子材料制品成形。

实施例一

请参阅附图1，所述的技术方案分为以下步骤：

1.将待制品的三维设计图形离散成为一系列二维的水平截面图形，并输入成形装置控制电脑；

2.将均匀混合后的粉末状EVA热熔胶（高分子材料）、石墨（导电材料）、石膏（无机胶凝材料）等原材料载入成形装置，三者的比例为：5.5:1.5:3 ；

3.成形装置内的铺粉机构将粉末状原材料摊铺成平整且厚度约0.1mm的均匀薄层;

4.成形装置内的喷头或喷头组阵列向上述粉料薄层上对应于待制品截面实体部分的特定区域喷射水基凝结剂，被凝结剂浸润的胶凝材料快速凝结，与其他成分一并形成待制品坯件某一高度上相应截面的薄层；

5.上述3和4两步骤将重复进行，直至待制品坯件成形过程全部完成；

6.从成形装置内取出待制品坯件；

7.将成形后的待制品坯件放入感应炉内，在交变电磁场作用下，坯件中石墨颗粒内部产生涡电流并发热，令坯件迅速升温至EVA热熔胶熔点（160-180℃），致使其中的EVA热熔胶熔化，随即停止加热，浸润、熔化后的EVA热熔胶填充制件内部空隙；

8.缓慢冷却制件至室温；

9.完成EVA热熔胶材料制品成形。

实施例二

请参阅附图2，所述的技术方案分为以下步骤：

1.将待制品的三维设计图形离散成为一系列二维的水平截面图形，并输入成形装置控制电脑；

2.将已经均匀混合并制就的丝状或颗粒状的尼龙12(高分子材料)与铝粉（导电材料）混合物料载入成形装置，二者的比例为：7:3 ；

3.用挤压型热喷头向成形平面上挤出熔融态的尼龙12与铝粉的混合材料，冷却形成待制品坯件某一高度上相应截面的薄层；

4.上一步骤将重复进行，直至待制品坯件成形过程全部完成；

5.从成形装置内取出待制品坯件；

6.将成形后的待制品坯件放入感应炉内，在交变电磁场作用下，坯件中铝粉颗粒内部产生涡电流并发热，令坯件迅速升温接近尼龙12熔点（170℃左右），致使构成坯件薄层与薄层间的结合更加紧密，各挤出线状轨迹间的空隙更小，从而制件的整体机械性能得以大幅提高；

7.缓慢冷却制件至室温；

8.完成尼龙12复合材料制品成形。

实施例三

请参阅附图3，所述的技术方案分为以下步骤：

1.将含10%左右乌洛托品的粉末态酚醛树脂（高分子材料，）、石墨（导电材料）、硅酸盐水泥（无机胶凝材料）构成的混合材料均匀混合，三者的比例为：5.5:1.5:3；

2.上述混合料与适量的水基凝结剂均匀搅拌后注入相应形状的硅胶模具；

3.浆料在硅胶模具内硬化生成三维制品的坯件；

4.取出制品坯件置于潮湿环境中养护数日；

5.将养护好的待制品坯件放入感应炉内，在交变电磁场作用下，坯件中石墨颗粒内部产生涡电流并发热，令坯件迅速升温至酚醛树脂熔点（150℃），致使其中的酚醛树脂熔化，随即停止加热，浸润、熔化后的酚醛树脂填充制件内部空隙；

8.缓慢冷却制件至室温；

9.完成酚醛树脂复合材料制品成形。

Claims (7)

1.一种高分子材料三维制品的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

用增材制造的方法或者模具成型的方法制备获得三维制品的坯件，其中坯件的基体材料包括混合的高分子材料与导电材料；

将所述坯件置于电磁环境下，利用电磁感应的方式加热坯件至高分子材料熔融，冷却后获得三维制品。

2.根据权利要求1所述的一种高分子材料三维制品的制造方法，其特征在于，所述增材制造的方法包括如下步骤：

使用挤压型热喷头向成形平面上挤出熔融态的基体材料，冷却形成三维制品的一个薄层；重复薄层的制作过程，通过层层堆积最终形成三维制品的坯件，其中基体材料中的高分子材料为热塑性高分子材料。

3.根据权利要求1所述的一种高分子材料三维制品的制造方法，其特征在于，所述坯件的基体材料还包括无机胶凝材料。

4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

将粉末状的高分子材料、导电材料和无机胶凝材料混合而成的基体材料均匀地铺展形成成形平面，使用喷头向成形平面选择性地喷射水基凝结剂，其中喷射区域为坯件在成形平面所对应的横截面区域，被水基凝结剂喷射区域的基体材料因无机胶凝材料的水化效应而快速凝结，形成三维制品的一个薄层；逐层的重复薄层的制作过程，通过层层堆积最终形成三维制品的坯件；

或将粉末状高分子材料、导电材料、无机胶凝材料构成的混合材料与水基凝结剂均匀搅拌后注入相应形状的模具，硬化生成三维制品的坯件。

5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述的高分子材料包括热塑性高分子材料或热固性高分子材料。

6.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述无机胶凝材料包括石膏（气硬性无机胶凝材料）和硅酸盐水泥（水硬性无机胶凝材料）；与硅酸盐水泥相匹配的水基凝结剂成分包括水和速凝剂。

7.根据权利要求1所述的一种高分子材料三维制品的制造方法，其特征在于，所述的导电材料包括粉末状导电粒子或导电纤维，如：炭黑、石墨、石墨烯、金属粉，碳纤维、金属纤维或金属化玻璃纤维；导电材料粒径不超过200微米。