CN109514862A - 一种用于聚合物三维制品增材制造的装置与方法 - Google Patents

一种用于聚合物三维制品增材制造的装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于聚合物三维制品增材制造的装置与方法。该装置主要由物料周边约束上部、周边约束下部、物料基板、升降台、粉料涂敷装置、喷头矩阵和高频交变电磁能量辐射装置组成。该方法包括：铺展聚合物粉末、向其上选定区域喷射导磁、导电微粒悬浮液，重复此过程若干次后堆积起具有导磁、导电双重特性的聚合物粉末集合体，对该集合体整体施以高频交变磁场，使其升温、内部聚合物粉末熔融，冷却后制成聚合物三维制品。

Description

一种用于聚合物三维制品增材制造的装置与方法
技术领域
本发明涉及聚合物制品增材制造技术领域，尤其是一种用于聚合物三维制品增材制造的装置与方法。
背景技术
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）、多射流熔融（MJF）、熔融沉积（FFF）、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，设备制造成本较高；由于该技术成形时采用“分层热固化”方式，为避免分层冷却时的变形，不得不提高成形空间工作温度至材料熔点附近，高温炙烤大大减少未固化粉末材料的重复使用次数；成形室对温度分布均匀性要求很高，控温技术复杂，设备制造成本较高；为避免聚合粉末材料的高温氧化，需要气氛保护，因而设备制造成本较高。MJF技术同样采用“分层热固化”方式，因而也存在上述SLS技术大部分缺点——成形空间温度高、控温技术复杂和需要气氛保护装置，以及由此导致的设备制造成本的提高；高温炙烤大大减少未固化粉末材料的重复使用次数。FFF技术的制成品层间结合强度较差，且需要支撑。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。POLYJET技术对喷头有特殊的要求，成本相对较高。
本发明能避免上述各种聚合物制品增材制造技术的缺点，可用低廉的成本生产出高品质的聚合物制品。
发明内容
一种用于聚合物三维制品增材制造的装置，主要由物料周边约束上部（4）、物料周边约束下部（6）、物料基板（5）、升降台(7)、可水平移动的粉料涂敷装置（1）、可水平移动的喷头矩阵（3）和高频交变电磁能量辐射装置（附图中未标出）组成，其特征在于：物料周边约束下部（6）及物料基板（5）由非导磁的绝缘材料制成；高频交变电磁能量辐射装置另设于一气密箱体内，可在低于正常大气压的负压下工作；该箱体可防止电磁能量辐射外泄。
根据权利要求1所述的一种用于聚合物三维制品增材制造的装置，其特征在于：所述的物料周边约束上部（4）和物料周边约束下部（6）竖直放置，二者在水平面内的截面形状相同且可为需要的任何形状，但不随竖直坐标改变。
根据权利要求1所述的一种用于聚合物三维制品增材制造的装置，其特征在于：在布料过程结束后，所述的物料基板（5）和物料周边约束下部（6）可连同其中已布好的材料集合体一道，被无扰动地移入高频交变电磁能量辐射装置。
根据权利要求1所述的一种用于聚合物三维制品增材制造的装置，其特征在于：所述的高频交变磁场的频率为300-2450MHZ。
一种用于聚合物三维制品增材制造的方法，其特征在于包括如下步骤：
a)在物料周边约束上部（4）的范围内，用粉料涂敷装置（1）将粉末状的聚合物材料在物料基板（5）上均匀地铺展成平面；b)用喷头矩阵（3）中的喷头向该平面内与所制造的聚合物三维制品实体相对应的区域喷射含有导磁、导电双重特性微粒的悬浮液；c)被此种悬浮液浸润的粉末状聚合物材料形成了一个导磁、导电的薄层；d）升降台（7）带动物料基板（5）下移一个薄层的高度，重复上述“步骤a)”至“步骤d）”，直至完成整个布料过程，在物料周边约束（4）范围内堆积起包含一系列薄层叠合而成的材料集合体，其中被导磁、导电双重特性微粒悬浮液浸润的粉末状聚合物所构成的材料集合体，与待制造的聚合物三维制品形状一致但尺寸稍大；e）下移升降台（7），令其中已布好的材料集合体移入物料周边约束下部（6）；f）将物料基板（5）、物料周边约束下部（6）连同其中已布好的材料集合体一道，无扰动地移入设有高频交变电磁能量辐射装置的气密箱内；g）抽出气密箱内部分空气，使之保持一定负压状态；h）启动高频交变电磁能量辐射装置，逐步增加辐射功率，材料集合体内的导磁、导电微粒在高频交变电磁能量辐射作用下产生的热量，使其近旁的聚合物微粒逐步熔融、连结，逸出的气体由负压环境吸收，未被导磁、导电双重特性微粒的悬浮液浸润的聚合物材料，则仍维持原有的粉末状态；i)停止加载高频交变电磁场，热熔后的聚合物冷却、固化，最终形成质地致密，具有三维制品形状的制品，它被埋覆于聚合物粉末之中；j)从聚合物粉末中取出制就的三维制品；
对于以热塑性聚合物制成的三维制品，在特殊需要时，可再将其置于绝缘等静压包套内，在包套内外压差作用下，加载高频交变磁场，再次加热并缓慢冷却后获得高致密度制品。
根据权利要求5所述的一种用于聚合物三维制品增材制造的方法，其特征在于，所述的粉末状的聚合物材料，包括热塑性或热固性材料。
根据权利要求5所述的一种用于聚合物三维制品增材制造的方法，其特征在于，所述的导磁、导电双重特性微粒包括：粉末状四氧化三铁、粉末状铁镍合金或它们与粉末状炭黑、石墨、碳纤维或石墨烯的混合物。
与现有的增材制造加工技术相比，本发明的有益效果是：
1.与SLS技术相比
1）大幅降低了设备制造成本，包括：
——无需激光器和振镜系统（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），大大简化成形系统，降低了设备制造成本；
——成形空间由高温环境变为室温环境，成形空间无需升温、控温，省去了由相关装置带来的设备制造成本；
——成形空间由高温环境变为室温环境，成形平面上的材料不致受到高温辐射而氧化，无需气氛保护，省去了由相关装置带来的设备制造成本；
2）大幅降低了产品生产成本，包括：
——成形空间由高温环境变为室温环境，未成形的材料没有受到高温辐射，可百分之百地实现重复利用，这对于目前价格昂贵的聚合物3D打印材料而言，将产生巨大的经济效益；
——成形空间由高温环境变为室温环境，未成形的材料没有受到高温辐射，不会与成形工件表面粘结，易于清理，降低了产品后处理的成本；
——由于加温固化由“选区分层固化”变为“选域整体固化”，避免了分层熔融、冷却过程中容易产生的层变形，从而大大放宽了产品制造对材料的要求，可将SLS工艺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；
3）大大缩短了产品制造时间
喷头矩阵（3）的选区喷射与激光束的选区扫描相比，效率大幅提高，产品制造时间则大幅下降。
2.与MJF技术相比
1）大幅降低了设备制造成本，包括：
——成形空间由高温环境变为室温环境，成形空间无需升温、控温，省去了由相关装置带来的设备制造成本；
——成形空间由高温环境变为室温环境，成形平面上的材料不致受到高温辐射而氧化，无需气氛保护，省去了由相关装置带来的设备制造成本；
2）大幅降低了产品生产成本
——成形空间由高温环境变为室温环境，未成形的材料没有受到高温辐射，可百分之百地实现重复利用，这对于目前价格昂贵的聚合物3D打印材料而言，将产生巨大的经济效益；
——成形空间由高温环境变为室温环境，未成形的材料没有受到高温辐射，不会与成形工件表面粘结，易于清理，降低了产品后处理的成本；
——由于加温固化由“选区分层固化”变为“选域整体固化”，避免了分层熔融、冷却过程中容易产生的层变形，从而大大放宽了产品制造对材料的要求，可将SLS工艺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；
3）大大缩短了产品制造时间
由于加温固化由“选区分层固化”变为“选域整体固化”，后者完成固化过程所耗费的时间，远少于前者，故产品制造时间则大幅下降。
3.与FFF技术相比
1)制成品有着高得多的层间结合力，不存在FFF技术特有的挤压轨迹之间的空隙，可增强制品的机械性能：FFF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；
2）无需支撑，省去了支撑材料的浪费和去除支撑的工艺过程，大幅降低了制成品的生产成本；
3）喷头矩阵（3）的选区喷射与材料热挤压头的选区涂敷相比，效率大幅提高，产品制造时间则大幅下降。
4.与SLA技术相比
1）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），大大简化成形系统，可大幅降低成形设备制造成本和产品生产成本；
2）不用光敏树脂，扩大了材料的选择范围；
3）操作过程没有任何毒性或污染；
4）喷头矩阵（3）的选区喷射与激光束的选区扫描相比，效率大幅提高，产品制造时间则大幅下降。
5.与POLYJET技术相比
喷头矩阵（3）喷射出的含有导磁、导电双重特性微粒的悬浮液粘度较低，放宽了对喷头的要求，从而降低设备成本。
6.无论热塑性还是热固性的聚合物粉末材料，如尼龙、环氧树脂，都可用本方法制作产品。
7.由于炭黑或石墨价格低廉，既作为加热之用的导电粒子，又充当填充料，可降低制品成本。
附图说明
本申请的附图，用以说明本发明的装置的主要构成和方法的具体实施步骤。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表示的是本发明的装置主要构成；
附图2表示的是制作聚合物制品的工艺过程。
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特定实施例，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
请参阅附图1，所述的装置主要包括：
物料周边约束上部（4）、物料周边约束下部（6）、物料基板（5）、升降台(7)、可水平移动的粉料涂敷装置（1）、可水平移动的喷头矩阵（3）。
附图1中，（2）是一个具有导磁、导电双重特性的聚合物粉末集合体，它由导磁、导电双重特性微粒的悬浮液浸润后的聚合物粉末构成，与所制造的三维制品形状相同但尺寸略大；（8）为聚合物粉末材料，由物料周边约束上部（4）、物料周边约束下部（6）和物料基板（5）包围，其中不含导磁、导电双重特性微粒。
请参阅附图2，所述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.将粉末状尼龙12（聚合物）和四氧化三铁细粉（有导磁、导电双重特性的微粒）悬浮液载入成形装置；
3.可水平移动的粉料涂敷装置（1）将粉末状尼龙12在物料承载台（5）上摊铺成平整且厚度为0.06-0.12mm的均匀薄层；
4.使用喷头矩阵（3）上的喷头向成形平面内与所制造的聚合物三维制品实体相对应的区域喷射含有四氧化三铁细粉的悬浮液；
5.被含有四氧化三铁细粉的悬浮液浸润的粉末状聚合物材料形成了一个导磁、导电的薄层；
6.物料承载台（5）下移一个薄层的高度；
上述3-6四步骤将重复进行，在物料周边约束（4）范围内堆积起包含一系列薄层叠合而成的材料集合体，其中被四氧化三铁微粒悬浮液浸润的粉末状尼龙12所构成的材料集合体，与待制造的聚合物三维制品形状一致但尺寸稍大；
7.下移升降台（7），令其中已布好的材料集合体移入物料周边约束下部（6）；
8.将物料基板（5）、物料周边约束下部（6）连同其中已布好的材料集合体一道，无扰动地移入设有高频交变电磁能量辐射装置的气密箱内；抽出气密箱内部分空气，使之保持一定负压状态；
9.启动高频交变电磁能量辐射装置，逐步增加辐射功率，材料集合体内的导磁、导电微粒在高频交变电磁能量辐射作用下产生的热量，使其近旁的聚合物微粒逐步熔融、连结，逸出的气体由负压环境吸收，未被导磁、导电双重特性微粒的悬浮液浸润的聚合物材料，则仍维持原有的粉末状态；
10.停止加载高频交变电磁场，热熔后的聚合物冷却、固化，最终形成质地致密，具有三维制品形状的制品，它被埋覆于聚合物粉末之中；
11.从聚合物粉末中取出制就的三维制品，完成尼龙12材料三维制品成形。
12.在特殊需要时，可再将上述尼龙12制品置于绝缘等静压包套内，在包套内外压差作用下，加载高频交变磁场，再次加热并缓慢冷却后获得高致密度制品。
进一步地，本实施例所用的尼龙12，可拓展至其他热塑性聚合物，如：聚烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚碳酸酯（PC）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK）等；或热固性聚合物，如：环氧树脂或酚醛树脂等。所用导磁、导电材料，可拓展至其他粉末状的导磁、导电粒子，如：粉末状四氧化三铁、粉末状铁镍合金或它们与粉末状炭黑、石墨、碳纤维或石墨烯的混合物。

Claims (7)

1.一种用于聚合物三维制品增材制造的装置，主要由物料周边约束上部（4）、物料周边约束下部（6）、物料基板（5）、升降台(7)、可水平移动的粉料涂敷装置（1）、可水平移动的喷头矩阵（3）和高频交变电磁能量辐射装置（附图中未标出）组成，其特征在于：物料周边约束下部（6）及物料基板（5）由非导磁的绝缘材料制成；高频交变电磁能量辐射装置另设于一气密箱体内，可在低于正常大气压的负压下工作；该箱体可防止电磁能量辐射外泄。
2.根据权利要求1所述的一种用于聚合物三维制品增材制造的装置，其特征在于：所述的物料周边约束上部（4）和物料周边约束下部（6）竖直放置，二者在水平面内的截面形状相同且可为需要的任何形状，但不随竖直坐标改变。
3.根据权利要求1所述的一种用于聚合物三维制品增材制造的装置，其特征在于：在布料过程结束后，所述的物料基板（5）和物料周边约束下部（6）可连同其中已布好的材料集合体一道，被无扰动地移入高频交变电磁能量辐射装置。
4.根据权利要求1所述的一种用于聚合物三维制品增材制造的装置，其特征在于：所述的高频交变磁场的频率为300-2450MHZ。
5.一种用于聚合物三维制品增材制造的方法，其特征在于包括如下步骤：
a)在物料周边约束上部（4）的范围内，用粉料涂敷装置（1）将粉末状的聚合物材料在物料基板（5）上均匀地铺展成平面；b)用喷头矩阵（3）中的喷头向该平面内与所制造的聚合物三维制品实体相对应的区域喷射含有导磁、导电双重特性微粒的悬浮液；c)被此种悬浮液浸润的粉末状聚合物材料形成了一个导磁、导电的薄层；d）升降台（7）带动物料基板（5）下移一个薄层的高度，重复上述“步骤a)”至“步骤d）”，直至完成整个布料过程，在物料周边约束（4）范围内堆积起包含一系列薄层叠合而成的材料集合体，其中被导磁、导电双重特性微粒悬浮液浸润的粉末状聚合物所构成的材料集合体，与待制造的聚合物三维制品形状一致但尺寸稍大；e）下移升降台（7），令其中已布好的材料集合体移入物料周边约束下部（6）；f）将物料基板（5）、物料周边约束下部（6）连同其中已布好的材料集合体一道，无扰动地移入设有高频交变电磁能量辐射装置的气密箱内；g）抽出气密箱内部分空气，使之保持一定负压状态；h）启动高频交变电磁能量辐射装置，逐步增加辐射功率，材料集合体内的导磁、导电微粒在高频交变电磁能量辐射作用下产生的热量，使其近旁的聚合物微粒逐步熔融、连结，逸出的气体由负压环境吸收，未被导磁、导电双重特性微粒的悬浮液浸润的聚合物材料，则仍维持原有的粉末状态；i)停止加载高频交变电磁场，热熔后的聚合物冷却、固化，最终形成质地致密，具有三维制品形状的制品，它被埋覆于聚合物粉末之中；j)从聚合物粉末中取出制就的三维制品；
对于以热塑性聚合物制成的三维制品，在特殊需要时，可再将其置于绝缘等静压包套内，在包套内外压差作用下，加载高频交变磁场，再次加热并缓慢冷却后获得高致密度制品。
6.根据权利要求5所述的一种用于聚合物三维制品增材制造的方法，其特征在于，所述的粉末状的聚合物材料，包括热塑性或热固性材料。
7.根据权利要求5所述的一种用于聚合物三维制品增材制造的方法，其特征在于，所述的导磁、导电双重特性微粒包括：粉末状四氧化三铁、粉末状铁镍合金或它们与粉末状炭黑、石墨、碳纤维或石墨烯的混合物。
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