CN106715095B - 使用经加压的料浆供给的增材制造 - Google Patents

使用经加压的料浆供给的增材制造 Download PDF

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Abstract

一种增材制造过程包括：加压并加热料浆，使经加压加热的料浆流动通过喷嘴，并且按照预定的图案沉积所述料浆。

Description

使用经加压的料浆供给的增材制造
相关申请的交叉引用
本公开要求2014年9月16日提交的美国临时专利申请No.62/051,227的优先权。
背景技术
火箭助推器等包括固体含能材料，固体含能材料当被点燃时生成加压气体，加压气体可通过喷嘴被喷出从而产生推力。通常将固体含能铸造、模制和/或机加工成火箭助推器的期望的形状。
发明内容
根据本公开的示例的增材制造过程包括：加压并加热料浆，使经加压加热的料浆流动通过喷嘴，并且按照预定的图案沉积所述料浆。
在任何上述实施例的进一步实施例中，在邻近所述喷嘴且在所述喷嘴上游的加热装置中执行所述加热。
在任何上述实施例的进一步实施例中，在所述喷嘴中执行所述加热。
在任何上述实施例的进一步实施例中，所述加热进行到等于或高于所述料浆的固化温度的温度。
任何上述实施例的进一步实施例包括：在所述加热期间开始进行所述料浆的聚氯乙烯成分的溶解。
任何上述实施例的进一步实施例包括：在所述料浆的沉积期间开始进行所述料浆的硬化。
任何上述实施例的进一步实施例包括：将所述料浆从加压容器供给到所述喷嘴。所述加压容器具有近似20至500磅每平方英寸的压力。
在任何上述实施例的进一步实施例中，所述加热处于近似170至220℉。
在上述任何实施例的进一步实施例中，所述料浆包括塑料溶胶和固体含能材料。
在任何上述实施例的进一步实施例中，所述塑料溶胶包括聚氯乙烯或硝化纤维中的至少一个。
在任何上述实施例的进一步实施例中，所述塑料溶胶包括邻苯二甲酸酯塑化剂或己二酸酯塑化剂中的至少一个。
在任何上述实施例的进一步实施例中，所述塑料溶胶包括聚氯乙烯与所述塑化剂的按重量的比率，所述比率的范围是80:20至20:80。
在任何上述实施例的进一步实施例中，所述料浆按重量包括比率近似是1:1的塑化剂与聚氯乙烯或硝化纤维中的至少一种，以及多达近似85%的固体含能材料。
根据本公开的示例的增材制造过程包括：将喷嘴加热到等于或高于料浆的固化温度的温度，使所述料浆经过所述喷嘴以使所述料浆开始固化，并且针对经计算机处理的图案从所述喷嘴分配正在固化的料浆。
任何上述实施例的进一步实施例包括：将所述料浆从加压容器供给到所述喷嘴。所述加压容器具有近似20至500磅每平方英寸的压力。
在任何上述实施例的进一步实施例中，所述料浆包括固体含能材料。
在任何上述实施例的进一步实施例中，所述料浆包括塑料溶胶和固体含能材料。
在任何上述实施例的进一步实施例中，所述塑料溶胶包括聚氯乙烯或硝化纤维中的至少一个以及邻苯二甲酸酯塑化剂或己二酸酯塑化剂中的至少一个。
在任何上述实施例的进一步实施例中，所述塑料溶胶包括聚氯乙烯与所述塑化剂的按重量的比率，所述比率的范围是80:20至20:80。
在任何上述实施例的进一步实施例中，所述分配包括针对所述经计算机处理的图案将所述料浆的多个层沉积在彼此上。
附图说明
从下面的具体实施方式，本领域的技术人员将会明白本公开的各种特征和优点。具体实施方式所附的附图可简要描述如下。
图1示出了示例的增材制造过程。
图2示出了用于执行图1的过程的示例系统。
具体实施方式
图1示出了示例的增材制造过程20，并且图2示出了用于执行过程20的示例系统40。如将描述的，过程20可被用于使固体含能材料或其他材料形成或“打印”成期望的几何结构。例如，固体含能材料可被打印成用于火箭助推器等的期望的三维几何结构。
本文关于步骤22、24和26以及系统40描述了过程20。在步骤22、24和26之前、在步骤22、24和26之间或在步骤22、24和26之后可以使用另外的处理步骤。一般而言，系统40包括容纳料浆44的容器42、用于分配料浆44的喷嘴46以及诸如管道或管的一个或多个线路48，料浆44从容器42经过一个或多个线路48移动到喷嘴46。喷嘴46可以包括加热装置46a。替代地或另外地，加热装置46a可以被定位成邻近喷嘴46且在喷嘴46的上游，如在46a'处所示。容器42、线路48以及喷嘴46可以包括用于使料浆44移动的一个或多个阀、一个或多个泵等。控制器50至少与喷嘴46连通并且还可以与容器42、线路48、加热装置46a/46a'以及任何（一个或多个）阀或（一个或多个）泵连通，从而控制系统40的操作。就这一点而言，控制器50包括硬件（例如微处理器）、软件或两者，其被构造成和/或编程为实施过程20。
为了打印固体含能材料，料浆44可包括塑料溶胶和固体含能材料的混合物。塑料溶胶是聚合物颗粒在液体塑化剂中形成的混合物或悬浮液。例如，塑化剂包括邻苯二甲酸酯、己二酸酯、或其组合。邻苯二甲酸酯可包括但是不限于邻苯二甲酸二异壬酯（DINP）、邻苯二甲酸二异癸酯（DIDP）以及邻苯二甲酸二(2-乙基己)酯，并且己二酸酯可包括但是不限于己二酸二辛酯（DOA）和癸二酸二辛酯（DOS）。例如，塑料溶胶包括聚氯乙烯或硝化纤维中的至少一种的聚合物颗粒以及液体塑化剂。固体含能材料也被提供成颗粒的形式并且与塑料溶胶混合。
根据期望的最终使用需求来选择固体含能材料。例如，固体含能材料可包括但是不限于金属燃料、氧化剂以及燃料/氧化剂掺和物。固体含能材料还可以包括一种或多种惰性结合剂、燃烧改性剂、稳定剂等。在一个示例中，料浆44按重量包括近似7.5%的聚氯乙烯、近似7.5%的塑化剂以及近似85%的固体含能材料。在进一步的示例中，固体含能材料按重量包括近似18%的金属燃料。
再来看过程20，在步骤22，料浆被加压并且被加热。料浆44被加压以有助于从容器42经过线路48流动到喷嘴46。例如，料浆44以近似20至500磅每平方英寸在容器42中被加压。随后，在该压力的情况下将料浆44从容器42供给到喷嘴46。所述加压还有助于抑制在喷嘴46之前发生固化以减少“结块”。在基于上面所描述的、包括聚氯乙烯或硝化纤维中的至少一个、己二酸二辛酯以及固体含能材料的料浆组合物的一个进一步的示例中，料浆44具有小于20千泊的粘度，以近似30至40磅每平方英寸在容器42中被加压，并且被加热到近似170至220℉。
料浆44可以大体上处于环境温度直到进行加热。就这一点而言，在一个示例中，过程20包括经由加热装置46a在喷嘴46中加热料浆44。替代地，如果使用加热装置46a'，则料浆44在喷嘴46之前被加热。料浆44可以在被加热之前是完全未固化的或是大体上完全未固化的。以适当的温度和压力，所述加热使得液体塑化剂开始溶解聚合物颗粒（例如，聚氯乙烯）。
在步骤24，经加压加热的料浆44流动通过喷嘴46，并且在步骤26，按照预定的图案从喷嘴46沉积料浆44。虽然料浆44被加压并且在喷嘴46的加热装置46a或46a'处被加热到合适的温度，但是料浆44在被从喷嘴46分配并且冷却之后可以达到大体上完全固化的或硬化的状态。例如，取决于料浆44的流动，溶解和固化可以在喷嘴46中开始或者在从喷嘴46进行分配之后开始。在一个示例中，加热到等于或高于料浆的固化温度的温度使得液体塑化剂开始溶解聚合物颗粒，并且因此料浆44开始固化和硬化。
预定的图案可以是被形成的物品的经计算机处理的图案。就这一点而言，喷嘴46来回移动以按照所述经计算机处理的图案选择性地沉积料浆44。另外地或替代地，料浆44被分配在其上的基体可根据经计算机处理的图案而移动。料浆44的多个层可被选择性地沉积在彼此上以依照经计算机处理的图案来构建物品。
在另外的示例中，还可以针对料浆组合物来设计或选择喷嘴46。例如，因为料浆44包含聚合物颗粒以及固体含能材料，所以料浆44沉积时所通过的喷嘴46的分配孔至少与组合物中的最大的颗粒一样大。更典型地，所述孔可以是组合物中最大颗粒的至少数倍大以减少喷嘴46的跨接（bridging）和堵塞。例如，喷嘴口可以是但是不限于是1/64至3/64英寸。
在另一实施例中，针对提供在加热装置46a或46a'处的加热的量来选择料浆44的组合物。例如，料浆组合物具有关于聚氯乙烯和/或硝化纤维的量与己二酸二辛酯的量的80:20至20:80的按重量的比率。在进一步的示例中，该比率是60:40至40:60。
虽然在所说明的示例中示出了特征的组合，但不是所有这些特征都需要被组合以实现本公开的各实施例的益处。换言之，根据本公开的实施例所设计的系统将不必包括在任何一张附图中示出的全部特征或者在附图中示意性示出的所有的部分。而且，一个示例实施例的所选择的特征可以与另外的示例实施例的所选择的特征进行组合。
前面的描述本质上是示例性的而不是限制性的。本领域的技术人员会明白对所公开的示例的变化和修改，对所公开的示例的变化和修改不必然偏离本公开。仅可通过研究所附权利要求来确定给予本公开的法律保护范围。

Claims (13)

1.一种增材制造过程，包括：
加压料浆并在以下一者中将所述料浆加热到等于或高于所述料浆的固化温度的温度：（1）邻近喷嘴且在所述喷嘴上游的加热装置以及（2）所述喷嘴，所述料浆包括塑料溶胶和固体含能材料，所述塑料溶胶是聚合物颗粒在液体塑化剂中形成的混合物或悬浮液；
使经加压加热的料浆流动通过所述喷嘴；
在所述加热期间使得液体塑化剂开始溶解聚合物颗粒，以使所述料浆开始固化和硬化；并且
按照预定的图案沉积所述料浆。
2.如权利要求1所述的过程，其中，所述聚合物颗粒包括聚氯乙烯。
3.如权利要求1所述的过程，还包括，将所述料浆从加压容器供给到所述喷嘴，所述加压容器具有20至500磅每平方英寸的压力。
4.如权利要求1所述的过程，其中，所述加热处于170至220℉。
5.如权利要求1所述的过程，其中，所述塑料溶胶包括聚氯乙烯或硝化纤维中的至少一个。
6.如权利要求5所述的过程，其中，所述塑料溶胶包括邻苯二甲酸酯塑化剂或己二酸酯塑化剂中的至少一个。
7.如权利要求6所述的过程，其中，所述塑料溶胶包括聚氯乙烯与所述塑化剂的按重量的比率，所述比率的范围是80:20至20:80。
8.如权利要求1所述的过程，其中，所述料浆按重量包括比率是1:1的塑化剂与聚氯乙烯或硝化纤维中的至少一种，以及多达85%的固体含能材料。
9.一种增材制造过程，包括：
将喷嘴加热到等于或高于料浆的固化温度的温度，其中，所述料浆包括塑料溶胶和固体含能材料，所述塑料溶胶是聚合物颗粒在液体塑化剂中形成的混合物或悬浮液；
使所述料浆经过所述喷嘴，以使得液体塑化剂开始溶解聚合物颗粒并且使所述料浆开始固化和硬化；并且
针对经计算机处理的图案从所述喷嘴分配正在固化的料浆。
10.如权利要求9所述的过程，还包括：将所述料浆从加压容器供给到所述喷嘴，所述加压容器具有20至500磅每平方英寸的压力。
11.如权利要求9所述的过程，其中，所述塑料溶胶包括聚氯乙烯或硝化纤维中的至少一个以及邻苯二甲酸酯塑化剂或己二酸酯塑化剂中的至少一个。
12.如权利要求11所述的过程，其中，所述塑料溶胶包括聚氯乙烯与所述塑化剂的按重量的比率，所述比率的范围是80:20至20:80。
13.如权利要求9所述的过程，其中，所述分配包括针对所述经计算机处理的图案将所述料浆的多个层沉积在彼此上。
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