CN108115928A - 一种聚合物三维制品的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚合物三维制品的制造方法。该方法先以增材制造方法制备具有三维制品形状的材料集合体，构成该集合体的基体材料包括聚合物材料与导电材料；再对所述材料集合体通以电流，电流的热效应使聚合物材料集合体内部材料热融，以导电聚合物材料的正温度效应控制加载电流的加热温度，断电并缓慢冷却后获得聚合物三维制品。

Description

一种聚合物三维制品的制造方法

技术领域

本发明涉及聚合物制品成形技术领域，尤其是一种聚合物三维制品的制造方法。

背景技术

聚合物材料制品广泛用于社会生产、生活的各个领域。

常见的聚合物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。

机械切削法是对聚合物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聚合物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。

增材制造是新型的聚合物制造技术，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，对成形空间温度值及其分布均匀性要求很高，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。

本发明能避免上述聚合物制品制造技术的缺点，可用低廉的成本生产出高品质的聚合物制品。

发明内容

1.一种聚合物三维制品的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

用增材制造方法制备具有三维制品形状的材料集合体，构成该集合体的基体材料包括聚合物材料与导电材料；

导电材料在基体材料中的占比为12-15%；

令电流流过材料集合体，其热效应使聚合物材料集合体内部材料热融，以导电聚合物材料的正温度效应控制加载电流的加热温度，断电冷却后获得三维制品；

将此三维制品置于绝缘等静压包套内，在包套内外压差作用下，再次通以电流，加热并缓慢冷却后获得高致密度制品。

2.根据权利要求1所述的一种聚合物三维制品的制造方法，其特征在于，所述增材制造方法包括如下步骤：

使用挤压型热喷头向成形平面上挤出熔融态的导电基体材料，冷却形成三维制品的一个薄层；重复薄层的制作过程，层层堆积最终形成三维制品的坯件，其中基体材料中的聚合物为热塑性材料；

将坯件埋覆于具有绝缘特性的粉末中或置于绝缘等静压包套内，再通以电流，加热并缓慢冷却后获得制品。

3.根据权利要求1所述的一种聚合物三维制品的制造方法，其特征在于，所述增材制造方法还包括如下步骤：

将粉末状的热塑性或热固性聚合物均匀地铺展形成成形平面，使用喷头向成形平面内相关区域喷射含有导电微粒的液体，被含有导电微粒的液体浸润的基体材料形成三维制品在水平面上的一个薄层；

逐次重复薄层制作过程，层层堆积的结果最终形成具有三维制品形状的材料集合体；

托举该三维制品形状的材料集合体的导电基板与材料集合体本身和置于材料集合体顶部的上导电板，共同构成电流通道，通电加热时，其热效应使聚合物材料集合体内部材料热融，断电并缓慢冷却后，获得三维制品；

将此三维制品置于绝缘等静压套内，再次通以电流，加热并缓慢冷却后获得致密度高的制品。

4.根据权利要求1所述的一种聚合物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短纤维，如：炭黑粉、石墨粉、金属粉，碳纤维、金属纤维或金属化玻璃纤维。

本发明提供的一种聚合物三维制品的制造方法，其制造过程分为材料集合体生成和加温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聚合物与导电材料的混合物，逐层叠加并堆积起三维制品的坯件。

或将粉末状的热塑性或热固性聚合物均匀地铺展形成成形平面，使用喷头向成形平面内相关区域喷射含有导电微粒的液体，被含有导电微粒的液体浸润的基体材料形成三维制品在水平面上的一个薄层；逐次重复薄层制作过程，层层堆积的结果最终形成具有三维制品形状的材料集合体。

在后一阶段中，将电流通入上一步中以某种方式成形的三维制品形状的坯件或材料集合体，电流使该坯件或集合体发热，升温至聚合物熔点，致使其中的聚合物热融并浸润、填充坯件或集合体内部空隙，以导电聚合物材料的正温度效应控制加载电流的加热温度，断电后缓慢降温至室温，即形成了聚合物制品。

在某些情况下，可将完整的“三维制品形状的材料集合体”成形过程分为若干小段，在每个小段成形完成后，即进行一次通电加热固化，以获得更好的制品性能。

必要时，可将已成形的聚合物制品置于硅胶内，使其外部包裹上硅胶，形成绝缘等静压包套，再次通电加热，同时在套外加高气压（或液压），在套内以抽真空方式抽取聚合物内部逸出的空气，断电并缓慢冷却后获得高致密度的制品。

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和耐温元器件；无需气氛保护，省去了供气装置和保护气体，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。

由于材料集合体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。

在本发明所述的增材制造方法中：

使用挤压型热喷头向成形平面上挤出熔融态的导电基体材料，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，其中基体材料中的聚合物为热塑性材料。这本已是一个完整的现有FDM技术增材制造过程。

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，埋覆于具有绝缘特性的粉末中或置于绝缘等静压包套内，在包套内外压差作用下，再通以电流，令坯件在电流的热效应下迅速升温，致使其中的热熔性聚合物熔化并浸润、填充坯件内部空隙，其内的空气被挤出，以导电聚合物材料的正温度效应控制电流的加热温度，断电并缓慢冷却后获得三维制品。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、含有导电微粒的液体，降低了对喷头的要求，从而降低设备成本；

5. 无论热塑性还是热固性的聚合物粉末材料，如尼龙、酚醛树脂，都可用本方法制作产品；

6. 由于炭黑或石墨价格低廉，既作为加热之用的导电粒子，又可降低制品成本；

7. 在以金属粉作为导电粒子时，它兼作了聚合物的强化相，有利于提高产品某些性能。

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形式的附图，这些都属于本申请保护的范围。

附图1表示的是以粉末材料平铺方式制作聚合物制品的流程。

附图2表示的是以熔融挤出方式制作并加固聚合物制品的流程。

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形式的实施例，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，实现聚合物制品成形。

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.将粉末状EVA热熔胶（聚合物）和炭黑细粉悬浮液载入成形装置，二者间的干粉质量比为：85:15；

3.成形装置内的铺粉机构将粉末状热熔胶摊铺成平整且厚度为0.06-0.12mm的均匀薄层；

4.使用喷头向成形平面选择性地喷射炭黑细粉悬浮液，其中喷射区域为热熔胶三维制品在成形平面所对应的横截面区域，被炭黑细粉悬浮液浸润的基体材料形成三维制品的一个薄层；

5.上述3和4两步骤将重复进行，层层堆积，最终形成具有三维制品形状的材料集合体；

6.托举该三维制品形状的材料集合体的导电基板与材料集合体本身以及置于材料集合体顶部的上导电板共同构成电流通道，对其通电加热，令坯件迅速升温至EVA热熔胶熔点（160-180℃）附近，以导电聚合物材料的正温度效应控制电流的加热温度，断电冷却后获得EVA热熔胶三维制品；

必要时，可将已成形的聚合物制品置于硅胶内，使其外部包裹上硅胶，形成绝缘等静压包套，再次通电加热，同时在套外加高气压（或液压），在套内以抽真空方式抽取聚合物内部逸出的空气，断电并缓慢冷却后获得高致密度的制品。

7.从成形装置内取出制品，完成EVA热熔胶材料三维制品成形。

进一步地，本实施例所用聚合物，可拓展至其他热塑性聚合物或热固性聚合物，如：聚酰胺类材料、环氧树脂或酚醛树脂；所用导电材料，可拓展至其他粉末状导电粒子或导电短纤维，如：炭黑粉、石墨粉、金属粉，碳纤维、金属纤维或金属化玻璃纤维。

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(聚合物)与铝粉（导电材料）混合物料载入成形装置，二者的比例为：85:15；

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，冷却形成三维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，直至尼龙12/铝粉 复合材料三维制品坯件成形过程全部完成；

5.从成形装置内取出制品坯件；

6.将已成形的坯件埋覆于具有绝缘特性的粉末中或置于绝缘等静压套内，再通以电流，令坯件在电流的热效应下迅速升温，接近尼龙12熔点（170℃左右），致使其中的热熔性聚合物熔化并浸润、填充坯件内部空隙，以导电聚合物材料的正温度效应控制电流的加热温度，断电并缓慢冷却后获得三维制品。此时，制品内部的层与层之间的结合，已更加牢固，各挤出线状轨迹间的空隙更小，实现了增强制品机械性能的目标。“将已成形的坯件埋覆于具有绝缘特性的粉末中”的作用，在于以后者保持前者的形状，减少加热引起的变形。

7.完成尼龙12复合材料制品成形。

进一步地，本实施例所用聚合物，可拓展至其他热塑性聚合物，如：聚酰胺类材料、聚烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚碳酸酯（PC）；所用导电材料，可拓展至其他粉末状导电粒子或导电短纤维，如：炭黑粉、石墨粉、金属粉，碳纤维、金属纤维或金属化玻璃纤维。

Claims (4)

1.一种聚合物三维制品的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

用增材制造方法制备具有三维制品形状的材料集合体，构成该集合体的基体材料包括聚合物材料与导电材料；

导电材料在基体材料中的占比为12-15%；

令电流流过材料集合体，其热效应使聚合物材料集合体内部材料热融，以导电聚合物材料的正温度效应控制加载电流的加热温度，断电冷却后获得三维制品；

将此三维制品置于绝缘等静压包套内，在包套内外压差作用下，再次通以电流，加热并缓慢冷却后获得高致密度制品。

2.根据权利要求1所述的一种聚合物三维制品的制造方法，其特征在于，所述增材制造方法包括如下步骤：

使用挤压型热喷头向成形平面上挤出熔融态的导电基体材料，冷却形成三维制品的一个薄层；重复薄层的制作过程，层层堆积最终形成三维制品的坯件，其中基体材料中的聚合物为热塑性材料；

将坯件埋覆于具有绝缘特性的粉末中或置于绝缘等静压包套内，再通以电流，加热并缓慢冷却后获得制品。

3.根据权利要求1所述的一种聚合物三维制品的制造方法，其特征在于，所述增材制造方法还包括如下步骤：

将粉末状的热塑性或热固性聚合物均匀地铺展形成成形平面，使用喷头向成形平面内相关区域喷射含有导电微粒的液体，被含有导电微粒的液体浸润的基体材料形成三维制品在水平面上的一个薄层；逐次重复薄层制作过程，层层堆积的结果最终形成具有三维制品形状的材料集合体顶部的上导电板，共同构成电流通道，通电加热时，其热效应使聚合物材料集合体内部材料热融，断电并缓慢冷却后，获得三维制品；

将此三维制品置于绝缘等静压套内，再次通以电流，加热并缓慢冷却后获得致密度高的制品。

4.根据权利要求1所述的一种聚合物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短纤维，如：炭黑粉、石墨粉、金属粉，碳纤维、金属纤维或金属化玻璃纤维。