CN107379516A - 一种基于湿固化硅胶3d打印的多孔弹性泡沫制作方法 - Google Patents

一种基于湿固化硅胶3d打印的多孔弹性泡沫制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于湿固化硅胶3D打印的多孔弹性泡沫制作方法。使用流体3D打印机制作八层以上的泡沫材料。泡沫材料中每层材料由不同条状的图案均匀排列组成，所述图案分为五种：直线型、正弦波型、8字型、卷绕型、侧踢型；加工工艺参数为硅胶粘度R、硅胶喷出流速Q、喷头直径D、喷头高度H和喷头移动速度U0；所述工艺参数中，硅胶粘度R、硅胶喷出流速Q和喷头直径D为常规工艺参数，喷头高度H为6‑51mm，喷头移动速度U0为2‑14mm/s；图案参数为图形的振幅W、图形的周期长度P和图形的环路宽度T；制成品的孔隙率为30‑50%，弹性模量大于5.0KPa。本发明3D打印制作硅胶多孔弹性泡沫所需时间平均为50‑70min，大幅度的提高了生产效率。

Description

一种基于湿固化硅胶3D打印的多孔弹性泡沫制作方法
技术领域
本发明属于3D打印制备产品技术领域，具体涉及硅胶3D打印制备多孔弹性泡沫的方法。
背景技术
现有的硅胶3D打印技术主要用来制作相对致密的硅胶制品，其孔隙率以及堆积密度无法根据产品的功能需求进行调整，现有的方法加工出来的硅胶制品密度较高，没法满足适用于医学领域的硅胶制品或硅胶弹性泡沫制品的功能需求。
现有的硅胶3D打印技术以及硅胶弹性泡沫制造方法仍有其他的不足：（1）通过发泡方法生产出来的适用于医学领域的硅胶产品大部分堆积密度都很大，这一制造过程不仅耗费时间和材料，安装于人体时也会增加多余的重量；（2）当前硅胶制成的用于催化剂制造及催化剂载体的产品没有很好的比表面积，因此生产的效率不高；（3）通常的硅胶制品的制作工艺灵活性相对小，当制造不同规格的硅胶制品时就会相应的增加成本，存在不足。
发明内容
为了实现制备孔隙率和堆积密度可控的硅胶制品，满足适用于医学领域或催化剂载体等，本发明提供一种基于湿固化硅胶3D打印的多孔弹性泡沫制作方法。
一种基于湿固化硅胶3D打印的多孔弹性泡沫制作方法，使用流体3D打印机，实现八层以上的弹性泡沫材料的制作；
所述八层以上的弹性泡沫材料中每层材料由不同形状的图案均匀排列组成，所述图案分为五种：直线型、正弦波型、8字型、卷绕型、侧踢型；每层材料的长度为a、宽度为b、相邻两排图案之间的间距为d；
实现五种图案操作的工艺参数为硅胶粘度R、硅胶喷出流速Q、喷头直径D、喷头高度H和喷头移动速度U0；所述工艺参数中，硅胶粘度R、硅胶喷出流速Q和喷头直径D为常规工艺参数，喷头高度H为6-51mm，喷头移动速度U0为2-14mm/s；图案参数为图形的振幅W为0-14mm、图形的周期长度P为0-45mm、图形的环路宽度T为0-7mm；
制成的多孔弹性泡沫，孔隙率为30-50%，弹性模量大于5.0KPa。
进一步限定的技术方案如下：
所述相邻两排图案之间的间距d为3-5mm。
相邻两层图案的排列呈交错状态。
制作直线型的材料层时，工艺参数中的喷头高度H为6-51mm、喷头移动速度U0为12-14mm/s，图案参数中振幅W为0-0.2mm、周期长度P为0、环路宽度T为0。
制作正弦波型的材料层时，工艺参数中的喷头高度H为6-24mm、喷头移动速度U0为7-12mm/s，图案参数中振幅W为10-11mm、周期长度P为22-24mm、环路宽度T为0。
制作“8”字型的材料层时，工艺参数中喷头高度H为6-51mm、喷头移动速度U0为3-9mm/s，图案参数中振幅W为13-15mm、周期长度P为43-45mm、环路宽度T为4-6mm。
制作卷绕型的材料层时，工艺参数中喷头高度H为6-51mm、喷头移动速度U0为2-3mm/s，图案参数中振幅W为2-5mm、周期长度P为1-4mm、环路宽度T为2-4mm。
制作侧踢型的材料层时，工艺参数中喷头高度H为24-51mm、喷头移动速度U0为7-13mm/s，图案参数中振幅W为9-11mm、周期长度P为42-44mm、环路宽度T为5-7mm。
本发明的有益效果体现在以下方面：
（1）本发明通过3D打印制作的硅胶多孔弹性泡沫，可以根据不同的功能需求，调节控制参数，孔隙率达到5%-50%，可用于催化剂制造及作为催化剂载体，并能取得很好的效果。（2）通过本发明加工出来的弹性泡沫材料具有较小的堆积密度，可以很好的用于假肢以及矫正器的填充；
（3）由于可以通过改变和调整泡沫内的孔隙率以制造具有可变区域弹性模量的泡沫，这就使这种泡沫可用作功能性鞋垫，以及工业上的缓震垫等，具有众多的应用渠道；
（4）现有生产硅胶泡沫材料的平均时间为2-4h，而本发明3D打印制作硅胶多孔弹性泡沫所需时间平均为50-70min,大幅度的提高了生产效率。
附图说明
图1为本发明操作状态图。
图2为喷头直径D、喷头体积流量Q、流体下降高度H、喷头和平面间的相对速度U0状态示意图。
图3为五种图案实验操作时流体下降高度H和喷头和平面间的相对速度U0的状态图谱。
图4为五种图案类型和图案参数（刻度以毫米为单位，W-振幅、P-周期长度、T-环路宽度）的示意图。
图5为卷绕型图案的逐行打印示意图。
图6为多孔弹性泡沫的展开示意图。
图7为实物多孔弹性泡沫图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
参见图1，使用3D打印机制作多孔弹性泡沫。3D打印机主要包螺杆泵控制器、螺杆泵、空气压缩器、喷嘴、X轴、Y轴、Z轴。参见图2，通过液体硅胶从一定高度的挤出头挤出到移动平台上打印形成图案，参见图3和图4，图案分为五种：直线型、正弦波型、8字型、卷绕型、侧踢型。参见图5，每层材料的长度为a、宽度为b、相邻两排图案之间的间距d为3-5mm。实现五种图案操作的工艺参数为硅胶粘度R、硅胶喷出流速Q、喷头直径D、喷头高度H和喷头移动速度U0；所述工艺参数中，硅胶粘度R、硅胶喷出流速Q和喷头直径D为常规工艺参数，喷头高度H为6-51mm，喷头移动速度U0为2-14mm/s；图案参数为图形的振幅W、图形的周期长度P和图形的环路宽度T。
实施例1
被加工的泡沫材料为25层的多孔弹性泡沫，平均层高为1.2mm。
工艺参数中，硅胶粘度R为62.5Pa·s、硅胶喷出流速Q为0.12ml/min、喷头直径D为0.41mm、喷头高度H为12mm、喷头移动速度（打印速度）U0为2mm/s。
每层的图案由条状的卷绕型图案均匀排列组成，相邻两层图案的排列呈交错状态。卷绕型图案的振幅W为2.86mm、周期长度P为1.4mm、环路宽度T为2.5。
参见图5，每层材料的长度a为70mm、宽度b为70mm、相邻两排图案之间的间距d为3mm。
参见图6所示，按照加工路线，从起点开始，使用卷绕图案在X方向上产生卷绕线1，卷绕线在第1行结束时，工作台在Y方向上移动d=3mm（两条相邻线之间的距离），并开始打印卷绕线2，该卷绕线打印重复直到终止点，第一层加工完成后，工作台沿Z方向移动一定距离（卷绕层的高度），并且保证喷嘴到已加工好的硅胶层高度为12mm，并开始沿X方向（垂直于层1中的方向）对层2进行逐行打印，在层3中，线方向改变为与层1中相同，以此类推，共打印25层。
参见图7，所得到多孔弹性泡沫的密度为0.327 g/cm3，经过压缩测试，得到其弹性模量为8.73KPa。
实施例2
被加工的泡沫材料为25层的多孔弹性泡沫，平均层高为0.75mm。
工艺参数中，硅胶粘度R为62.5Pa·s、硅胶喷出流速Q为0.12ml/min、喷头直径D为0.41mm、喷头高度H为6mm、喷头移动速度（打印速度）U0为3mm/s。
每层的图案由条状的卷绕型图案均匀排列组成，相邻两层图案的排列呈交错状态。卷绕型图案的振幅W为3.5mm、周期长度P为2.7mm、环路宽度T为2.7mm。
参见图5，每层材料的长度a为70mm、宽度b为70mm、相邻两排图案之间的间距d为3.5mm。
参见图6所示，按照加工路线，从起点开始，使用卷绕图案在X方向上产生卷绕线1，卷绕线在第1行结束时，工作台在Y方向上移动d=3.5mm（两条相邻线之间的距离），并开始打印卷绕线2，该卷绕线打印重复直到终止点，第一层加工完成后，工作台沿Z方向移动一定距离（卷绕层的高度），并且保证喷嘴到已加工好的硅胶层高度为6mm，并开始沿X方向（垂直于层1中的方向）对层2进行逐行打印，在层3中，线方向改变为与层1中相同，以此类推，共打印25层。所得到多孔弹性泡沫的密度为0.262 g/cm3，经过压缩测试，得到其弹性模量为6.46KPa。
实施例3
被加工的泡沫材料为25层的多孔弹性泡沫，平均层高为0.7mm。
工艺参数中，硅胶粘度R为62.5Pa·s、硅胶喷出流速Q为0.12ml/min、喷头直径D为0.41mm、喷头高度H为12mm、喷头移动速度（打印速度）U0为3mm/s。
每层的图案由条状的卷绕型图案均匀排列组成，相邻两层图案的排列呈交错状态。卷绕型图案的振幅W为5mm、周期长度P为3.84mm、环路宽度T为3.5mm。
参见图5，每层材料的长度a为70mm、宽度b为70mm、相邻两排图案之间的间距d为5mm。
参见图6所示，按照加工路线，从起点开始，使用卷绕图案在X方向上产生卷绕线1，卷绕线在第1行结束时，工作台在Y方向上移动d=5mm（两条相邻线之间的距离），并开始打印卷绕线2，该卷绕线打印重复直到终止点，第一层加工完成后，工作台沿Z方向移动一定距离（卷绕层的高度），并且保证喷嘴到已加工好的硅胶层高度为12mm，并开始沿X方向（垂直于层1中的方向）对层2进行逐行打印，在层3中，线方向改变为与层1中相同，以此类推，共打印25层。所得到多孔弹性泡沫的密度为0.248 g/cm3，经过压缩测试，得到其弹性模量为5.94KPa。
实施例4
被加工的泡沫材料为25层的多孔弹性泡沫，平均层高为1.9mm。
工艺参数中，硅胶粘度R为62.5Pa·s、硅胶喷出流速Q为1.19ml/min、喷头直径D为1.1mm、喷头高度H为6mm、喷头移动速度（打印速度）U0为3mm/s。
每层的图案由条状的卷绕型图案均匀排列组成，相邻两层图案的排列呈交错状态。卷绕型图案的振幅W为3.8mm、周期长度P为2.6mm、环路宽度T为3mm。
参见图5，每层材料的长度a为70mm、宽度b为70mm、相邻两排图案之间的间距d为5mm。
参见图6所示，按照加工路线，从起点开始，使用卷绕图案在X方向上产生卷绕线1，卷绕线在第1行结束时，工作台在Y方向上移动d=5mm（两条相邻线之间的距离），并开始打印卷绕线2，该卷绕线打印重复直到终止点，第一层加工完成后，工作台沿Z方向移动一定距离（卷绕层的高度），并且保证喷嘴到已加工好的硅胶层高度为6mm，并开始沿X方向（垂直于层1中的方向）对层2进行逐行打印，在层3中，线方向改变为与层1中相同，以此类推，共打印25层。所得到多孔弹性泡沫的密度为0.415 g/cm3，经过压缩测试，得到其弹性模量为10.20KPa。
实施例5
被加工的泡沫材料为25层的多孔弹性泡沫，平均层高为1.9mm。
工艺参数中，硅胶粘度R为62.5Pa·s、硅胶喷出流速Q为1.19ml/min、喷头直径D为1.1mm、喷头高度H为18mm、喷头移动速度（打印速度）U0为10mm/s。
每层的图案由条状的正弦波型图案均匀排列组成，相邻两层图案的排列呈交错状态。卷绕型图案的振幅W为10mm、周期长度P为22mm、环路宽度T为0。
参见图5，每层材料的长度a为70mm、宽度b为70mm、相邻两排图案之间的间距d为20mm。
参见图6所示，按照加工路线，从起点开始，使用卷绕图案在X方向上产生卷绕线1，卷绕线在第1行结束时，工作台在Y方向上移动d=20mm（两条相邻线之间的距离），并开始打印卷绕线2，该卷绕线打印重复直到终止点，第一层加工完成后，工作台沿Z方向移动一定距离（卷绕层的高度），并且保证喷嘴到已加工好的硅胶层高度为18mm，并开始沿X方向（垂直于层1中的方向）对层2进行逐行打印，在层3中，线方向改变为与层1中相同，以此类推，共打印25层。
所得到多孔弹性泡沫的密度为0.115 g/cm3，经过压缩测试，得到其弹性模量为3.63KPa。
实施例6
被加工的泡沫材料为25层的多孔弹性泡沫，平均层高为1.9mm。
工艺参数中，硅胶粘度R为62.5Pa·s、硅胶喷出流速Q为1.19ml/min、喷头直径D为1.1mm、喷头高度H为12mm、喷头移动速度（打印速度）U0为5mm/s。
每层的图案由条状的“8”字型图案均匀排列组成，相邻两层图案的排列呈交错状态。卷绕型图案的振幅W为14mm、周期长度P为43mm、环路宽度T为5。
参见图5，每层材料的长度a为70mm、宽度b为70mm、相邻两排图案之间的间距d为10mm。
参见图6所示，按照加工路线，从起点开始，使用卷绕图案在X方向上产生卷绕线1，卷绕线在第1行结束时，工作台在Y方向上移动d=10mm（两条相邻线之间的距离），并开始打印卷绕线2，该卷绕线打印重复直到终止点，第一层加工完成后，工作台沿Z方向移动一定距离（卷绕层的高度），并且保证喷嘴到已加工好的硅胶层高度为12mm，并开始沿X方向（垂直于层1中的方向）对层2进行逐行打印，在层3中，线方向改变为与层1中相同，以此类推，共打印25层。
所得到多孔弹性泡沫的密度为0.107 g/cm3，经过压缩测试，得到其弹性模量为3.01KPa。
实施例7
被加工的泡沫材料为25层的多孔弹性泡沫，平均层高为1.9mm。
工艺参数中，硅胶粘度R为62.5Pa·s、硅胶喷出流速Q为1.19ml/min、喷头直径D为1.1mm、喷头高度H为27mm、喷头移动速度（打印速度）U0为10mm/s。
每层的图案由条状的侧踢型图案均匀排列组成，相邻两层图案的排列呈交错状态。卷绕型图案的振幅W为11mm、周期长度P为44mm、环路宽度T为6。
参见图5，每层材料的长度a为70mm、宽度b为70mm、相邻两排图案之间的间距d为10mm。
参见图6所示，按照加工路线，从起点开始，使用卷绕图案在X方向上产生卷绕线1，卷绕线在第1行结束时，工作台在Y方向上移动d=10mm（两条相邻线之间的距离），并开始打印卷绕线2，该卷绕线打印重复直到终止点，第一层加工完成后，工作台沿Z方向移动一定距离（卷绕层的高度），并且保证喷嘴到已加工好的硅胶层高度为27mm，并开始沿X方向（垂直于层1中的方向）对层2进行逐行打印，在层3中，线方向改变为与层1中相同，以此类推，共打印25层。
所得到多孔弹性泡沫的密度为0.215 g/cm3，经过压缩测试，得到其弹性模量为3.76KPa。

Claims (8)

1.一种基于湿固化硅胶3D打印的多孔弹性泡沫制作方法，使用流体3D打印机，实现八层以上的弹性泡沫材料的制作，其特征在于：
所述八层以上的弹性泡沫材料中每层材料由不同条状的图案均匀排列组成，所述图案分为五种：直线型、正弦波型、8字型、卷绕型、侧踢型；每层材料的长度为a、宽度为b、相邻两排图案之间的间距为d；
实现五种图案操作的工艺参数为硅胶粘度R、硅胶喷出流速Q、喷头直径D、喷头高度H和喷头移动速度U0；所述工艺参数中，硅胶粘度R、硅胶喷出流速Q和喷头直径D为常规工艺参数，喷头高度H为6-51mm，喷头移动速度U0为2-14mm/s；图案参数为图形的振幅W为0-14mm、图形的周期长度P为0-45mm、图形的环路宽度T为0-7mm；
制成品的多孔弹性泡沫，孔隙率为30-50%，弹性模量大于5.0KPa。
2.根据权利要求1所述的一种基于湿固化硅胶3D打印的多孔弹性泡沫制作方法，其特征在于：所述相邻两排图案之间的间距d为3-5mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于湿固化硅胶3D打印的多孔弹性泡沫制作方法，其特征在于：相邻两层图案的排列呈交错状态。
4.根据权利要求1所述的一种基于湿固化硅胶3D打印的多孔弹性泡沫制作方法，其特征在于：制作直线型的材料层时，工艺参数中的喷头高度H为6-51mm、喷头移动速度U0为12-14mm/s，图案参数中振幅W为0-0.2mm、周期长度P为0、环路宽度T为0。
5.根据权利要求1所述的一种基于湿固化硅胶3D打印的多孔弹性泡沫制作方法，其特征在于：制作正弦波型的材料层时，工艺参数中的喷头高度H为6-24mm、喷头移动速度U0为7-12mm/s，图案参数中振幅W为10-11mm、周期长度P为22-24mm、环路宽度T为0。
6.根据权利要求1所述的一种基于湿固化硅胶3D打印的多孔弹性泡沫制作方法，其特征在于：制作8字型的材料层时，工艺参数中喷头高度H为6-51mm、喷头移动速度U0为3-9mm/s，图案参数中振幅W为14mm、周期长度P为43-45mm、环路宽度T为4-6mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于湿固化硅胶3D打印的多孔弹性泡沫制作方法，其特征在于：制作卷绕型的材料层时，工艺参数中喷头高度H为6-51mm、喷头移动速度U0为2-3mm/s，图案参数中振幅W为2-5mm、周期长度P为1-4mm、环路宽度T为2-4mm。
8.根据权利要求1所述的一种基于湿固化硅胶3D打印的多孔弹性泡沫制作方法，其特征在于：制作侧踢型的材料层时，工艺参数中喷头高度H为24-51mm、喷头移动速度U0为7-13mm/s，图案参数中振幅W为9-11mm、周期长度P为42-44mm、环路宽度T为5-7mm。
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