CN109849329A - 一种磁流变复合体的快速成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁流变复合体的快速成形方法，将I型磁流变弹性材料及II型磁流变弹性材料、I型磁流变弹性材料及磁流变粘塑性材料以任意所需形态组合在一起，制备出物理性质非均匀的磁流变复合体。实现了不同物态、力学性能磁流变材料的混合3D打印，可以进行灵活的数字化结构设计，固态磁流变弹性材料成形与半固态磁流变粘塑性材料的封装可以一次完成。借助于不同类型的磁流变材料在外部磁场下力学性能不同响应特性，可满足不同位置需要不同力学性能磁流变材料的复杂使用工况要求。利用本发明的方法制备的复合体可以用作减震、阻尼元件或板材成形用软模等多种功能元件和结构元件，性能良好；同时，本发明的方法周期短、流程简单、成本低。

Description

一种磁流变复合体的快速成形方法

技术领域

本发明属于复合材料成形技术领域，特别涉及一种磁流变复合体的快速成形方法。

背景技术

目前，磁流变液作为一种智能材料因其独特的磁流变效应、良好的流变性能，被认为是材料科学领域最具有发展潜力的新型智能材料。目前，磁流变液在阻尼器、减振器、磁流变抛光和磁流变密封等方面得到了广泛的应用。磁流变效应指在流体中加入一种导磁的、非溶性介质，在外部磁场的作用下，流体的流变性质发生突变，迅速固化而失去流动性，固化过程瞬变可逆。

为了对磁流变材料的用途进一步开发研究，需要磁流变材料在不同位置表现出力学性能的差异。为此，可以在磁流变弹性材料中封装粘塑性材料或磁性颗粒含量不同于基体的磁流变弹性材料形成非均质的磁流变复合体。磁流变复合体是一种将磁流变粘塑性材料或磁性颗粒含量不同于基体的磁流变弹性材料以所需形态分布于磁流变弹性材料中得到的具有复合结构的磁流变体。磁流变粘塑性材料为半固态，其刚度较小，流动能力强，且在外加磁场下刚度变化幅度大，即相对磁流变效应强；而磁流变弹性材料为固态，其刚度较大，产生的单位压力更大，但在外加磁场下其刚度变化幅度小，即相对磁流变效应弱。因此，使用不同区域具有不同类型磁流变材料的非均质磁流变复合体可以实现减震、阻尼元件刚度的区域选择性控制，是实现局部精细化压力控制的一种有效技术手段。例如，该复合体用作板材成形软模时，可以在复杂形状板材零件各个区域产生不同的单位压力，使得板材不同区域具有不同的充填程度，是提高复杂形状板材成形的一个极具潜力的技术手段。

传统磁流变材料为均质材料，使用多组分原料混合、充分搅拌(橡胶材料还需固化)后即可制得。但传统制造方法难以满足非均质、多种材料复合磁流变体的制造需求，也难以制造异型磁流变体。

一种潜在的非均质磁流变复合体的制备过程为：使用模具成形一个基体，基体内具有腔体；在腔体内填充磁流变粘塑性材料或者磁流变弹性材料，并使用磁流变弹性材料进行封装。但是利用上述的方法制备非均质磁流变复合体，其耗时长、效率低，且模具成形与封装无法一次完成，非均质磁流变复合体中可能出现缝隙，造成制备的非均质磁流变复合体性能较差；而且，封装在磁流变复合体中的磁流变粘塑性材料或者磁流变弹性材料的位置不确定，对于需要制造出多种形状模具的情况，这是非常不经济的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁流变复合体的快速成形方法，用于解决按照常规方式制造得到的非均质磁流变复合体性能差的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种磁流变复合体的快速成形方法，步骤如下：

通过3D打印的方式沉积I型磁流变弹性材料形成具有至少一个腔体的软模基体；

通过加压注射方法在所述腔体中沉积磁流变粘塑性材料或者通过3D打印的方式在所述腔体中沉积II型磁流变弹性材料；

通过3D打印的方式，用I型磁流变弹性材料封装所述磁流变粘塑性材料或者II型磁流变弹性材料以形成磁流变复合体。

本发明的有益效果：将I型磁流变弹性材料及II型磁流变弹性材料、I型磁流变弹性材料及磁流变粘塑性材料以任意所需形态组合在一起，制备出物理性质非均匀的磁流变复合体，实现了不同物态、不同力学性能磁流变材料的混合3D打印，可以进行灵活的数字化结构设计，磁流变弹性材料和磁流变粘塑性材料的封装可以一次完成，形成的磁流变复合体中不会出现间隙，满足不同位置需要不同力学性能磁流变材料的复杂使用工况要求，利用本发明的方法制备的复合体可以用作减震、阻尼元件或板材成形用软模等多种功能元件和结构元件，性能良好；同时，本发明的方法周期短、流程简单、成本低。封装在非均质磁流变复合体中的磁流变粘塑性材料或者磁流变弹性材料的位置是可以灵活设计并精确制造的，可以实现多种形状磁流变复合体的短周期制造，提高了生产效率和经济性。

进一步地，为了呈现II型磁流变弹性材料和I型磁流变弹性材料力学性能的差异，所述II型磁流变弹性材料与I型磁流变弹性材料的含量、颗粒种类或颗粒粒径不同。

进一步地，为了呈现II型磁流变弹性材料和I型磁流变弹性材料力学性能的差异，所述II型磁流变弹性材料与I型磁流变弹性材料的颗粒种类配比不同。

进一步地，所述3D打印的方式为采用熔丝沉积3D打印的方式。采用熔丝沉积方法成形固态的磁流变弹性材料，磁流变弹性材料中铁磁性颗粒的含量可以在制丝过程中自由调配，从而可以实现磁流变弹性体力学性能的大幅度改变。

进一步地，为了满足不同的情况，所述封装为整体封装或仅封装所述腔体。

本发明还提供了一种磁流变复合体的快速成形方法，步骤如下：

通过3D打印的方式沉积I型磁流变弹性材料形成具有至少一个腔体的软模基体；

通过加压注射方法在所述腔体中沉积磁流变粘塑性材料或者通过3D打印的方式在所述腔体中沉积II型磁流变弹性材料；

通过3D打印的方式增大所述软模基体形成的腔体深度，然后继续通过加压注射方法在所述腔体中沉积磁流变粘塑性材料或者通过3D打印的方式在所述腔体中沉积II型磁流变弹性材料；

通过3D打印的方式，用I型磁流变弹性材料整体封装所述磁流变粘塑性材料或者II型磁流变弹性材料以形成磁流变复合体。

本发明的有益效果：将I型磁流变弹性材料及II型磁流变弹性材料、I型磁流变弹性材料及磁流变粘塑性材料以任意所需形态组合在一起，制备出物理性质非均匀的磁流变复合体，实现了不同物态、不同力学性能磁流变材料的混合3D打印，可以进行灵活的数字化结构设计，磁流变弹性材料和磁流变粘塑性材料的封装可以一次完成，磁流变复合体中不会出现间隙，满足不同位置需要不同力学性能磁流变材料的复杂使用工况要求，利用本发明的方法制备的复合体可以用作减震、阻尼元件或板材成形用软模等多种功能元件和结构元件，性能良好；同时，本发明的方法周期短、流程简单、成本低。而且封装在非均质磁流变复合体中的磁流变粘塑性材料或者磁流变弹性材料的位置是可以灵活设计并精确制造的，可以实现多种形状磁流变复合体的短周期制造，提高了生产效率和经济性。另外，不断升高基体，再沉积II型磁流变弹性材料或者磁流变粘塑性材料的方式，使得到的磁流变复合体更加密实。

进一步地，为了呈现II型磁流变弹性材料和I型磁流变弹性材料力学性能的差异，所述II型磁流变弹性材料与I型磁流变弹性材料的含量、颗粒种类或颗粒粒径不同。

进一步地，为了呈现II型磁流变弹性材料和I型磁流变弹性材料力学性能的差异，所述II型磁流变弹性材料与I型磁流变弹性材料的颗粒种类配比不同。

进一步地，所述3D打印的方式为采用熔丝沉积3D打印的方式。采用熔丝沉积方法成形固态的磁流变弹性材料，磁流变弹性材料中铁磁性颗粒的含量可以在制丝过程中自由调配，从而可以实现磁流变弹性体力学性能的大幅度改变。

附图说明

图1为本发明的非均质磁流变复合体快速成形方法中加热喷嘴初始状态运动轨迹示意图；

图2为本发明的非均质磁流变复合体快速成形方法中熔丝成形得到腔体的示意图；

图3为本发明的非均质磁流变复合体快速成形方法中加压注射结束、二次熔丝成形开始状态的示意图；

图4为本发明的非均质磁流变复合体快速成形方法的最终成形状态示意图；

图5为本发明的非均质磁流变复合体剖视图；

图6为本发明的非均质磁流变复合体中磁流变弹性材料和磁流变粘塑性材料区域的局部放大图；

图7为本发明的磁流变粘塑性材料以双柱状左右分布的示意图；

图8为本发明的磁流变粘塑性材料以双柱状上下分布的示意图；

图9为本发明的磁流变粘塑性材料以半柱状左右分布的示意图；

图10为本发明的磁流变粘塑性材料以环状分布的示意图；

图11为本发明的磁流变粘塑性材料填充满腔体的示意图；

图12为本发明的磁流变粘塑性材料未填充满腔体的示意图；

图13为本发明的逐层打印I型磁流变弹性材料和磁流变粘塑性材料的示意图；

图中，1是伺服控制器，2是挤出喷嘴，3是滚轮，4是I型磁流变弹性材料，5是加压装置，6是送丝轮，7是磁流变粘塑性材料，8是加热喷嘴，9是工作平台，10是弹性基体，11是铁磁性颗粒，12是粘塑性基体，21是封盖，22是封盖。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

实施例1：

本实施例采用熔丝沉积法(Fused Deposition Modeling，FDM)以及加压注射方法来实现磁流变复合体的制造，FDM方法具有可用材料范围广、成本低、生产效率高、制作简便等优点，是目前商业化程度最高、应用范围最广的3D打印技术。本实施例的加压注射方法采用驱动机构及加压装置来实现，具体的，驱动机构为伺服控制器，伺服控制器的控制精度更高，作为其他实施方式，可以采用一般的控制器；加压装置采用活塞原理来实现加压注射的目的，作为其他实施方式，也可以采用螺杆原理来实现加压注射的目的。实现磁流变复合体成形所具备的硬件结构如图1所示，包括伺服控制器1、挤出喷嘴2、滚轮3、I型磁流变弹性材料4、加压装置5、送丝轮6、磁流变粘塑性材料7、加热喷嘴8、工作平台9，伺服控制器1控制连接挤出喷嘴2及滚轮3，滚轮3、送丝轮6及加热喷嘴8依次连接。上述的3D打印技术所采用的硬件设备，属于现有的双喷嘴3D打印设备，其具体结构不再阐述。

利用图1所示的硬件结构对磁流变复合体的成形控制时，包括如下步骤：

1、伺服控制器1将丝状的I型磁流变弹性材料4通过送丝轮6送入加热喷嘴8，加热熔化并挤出，沉积在工作平台9上，固化，形成软模基体。

2、伺服控制器1控制加热喷嘴8按照一定轨迹挤出并固化多层I型磁流变弹性材料4，形成一个具有一定深度腔体的软模基体，如图2所示。

3、加压装置5对流体形态的磁流变粘塑性材料7施加压力，使其从挤出喷嘴2流出并沉积到I型磁流变弹性材料4形成的腔体中，如图3所示。磁流变粘塑性材料7的量由伺服控制器1根据设定要求控制。

4、伺服控制器1控制加热喷嘴8以设定的打印路径挤出I型磁流变弹性材料4将磁流变粘塑性材料7封装，得到非均质磁流变弹性-粘塑性磁流变复合体，如图4所示。其中，非均质磁流变弹性-粘塑性磁流变复合体的剖视图和放大图，如图5和图6所示，图6中，10为弹性基体，11为铁磁性颗粒，12为粘塑性基体。

需要说明的是，本实施例采用双喷嘴交替打印，每个喷嘴的材料挤出量可以定量调节，能够实现两种材料成分的精确控制。

I型磁流变弹性材料4为硅橡胶基磁流变弹性体或聚氨酯基磁流变弹性体，其硫化温度为室温～230℃。不同类型的磁流变弹性材料均由铁磁性颗粒11弥散分布在硅橡胶基磁流变弹性基体或聚氨酯基磁流变弹性基体中得到，弹性基体10对应为硅橡胶基磁流变弹性基体和聚氨酯基磁流变弹性基体。铁磁性颗粒11在外加磁场下可以形成链状排布，使得其压缩刚度和模量提高。弹性基体10的类型决定了I型磁流变弹性材料4的基础刚度和模量。

上述实施例中的磁流变粘塑性材料7为磁流变液、磁流变胶或磁流变塑性体，其粘度大于等于500Pa·s。不同类型的磁流变粘塑性材料均由铁磁性颗粒11弥散分布在粘塑性基体12中得到。铁磁性颗粒11在外加磁场下可以形成链状排布，使得其压缩屈服强度提高。粘塑性基体12的粘度决定了磁流变粘塑性材料7的基础屈服强度。

本实施例中，磁流变粘塑性材料7和I型磁流变弹性材料4中的铁磁性颗粒11的含量，即体积分数分别为40％和10％，铁磁性颗粒11为羟基铁粉，作为其他实施方式，铁磁性颗粒11为钴或镍，铁磁性颗粒11的粒径为3±0.5μm，本实施例的羟基铁粉的粒径在2μm～4μm之间。当然，作为其他的实施方式，磁流变粘塑性材料7和I型磁流变弹性材料4中的铁磁性颗粒11的体积分数也可以分别取80％和50％等其他数值，但满足磁流变粘塑性材料7中的铁磁性颗粒11的体积分数≤80％，I型磁流变弹性材料4中的铁磁性颗粒11的体积分数≤50％；铁磁性颗粒11的粒径也可以取1μm、5μm等其他数值，但满足铁磁性颗粒11的粒径位于1μm～5μm之间。

本实施例中，如图11，I型磁流变弹性材料4形成腔体，该腔体中填充满磁流变粘塑性材料7，也就是说，将磁流变粘塑性材料7填充到与腔体上表面一致，然后在整个表面继续沉积I型磁流变弹性材料4，这部分的I型磁流变弹性材料4形成一个“封盖”21，完成整体封装。这种方式速度快，与腔体贴合紧密，磁流变粘塑性材料7与腔体之间不会留有间隙。

以上实施例中，采用了图1所示的3D打印设备，使用FDM技术。作为其他实施方式，也可以采用其他类型的3D打印设备，其他类型的3D打印技术，只要能够完成上述实施例中的各个步骤即可。

另外，如果将上述实施例中的磁流变粘塑性材料7替换为II型磁流变弹性材料，那么也能够形成基本符合要求的磁流变复合体，II型磁流变弹性材料通过伺服加压注射方法沉积到腔体中，作为其他实施方式，也可以通过3D打印的方式将II型磁流变弹性材料沉积到腔体中，虽然3D打印技术是一种具有高度灵活性的成形方法，具有可用材料范围广、成本低、生产效率高、操作简便等优点，是实现复杂结构快速制造的重要手段，但是这一技术的局限性在于，其打印材料只能以丝材、粉末、凝胶等单一形态供给，无法适应多种物态性质材料的混合制造，所以，本实施例优选伺服加压注射方法。但是，需保证两种磁流变弹性材料的含量(体积分数)不同，颗粒种类不同，颗粒粒径不同或者是两种磁流变弹性材料的颗粒种类相同但是颗粒种类配比不同。当然，两种磁流变弹性材料也可以是属于上述四种不同情形中的至少两种不同的情形，以使I型磁流变弹性材料和II型磁流变弹性材料表现出性能上的差异。

实施例2：

本实施例与实施例1的各步骤基本相同，不同在于：

如图12，I型磁流变弹性材料4形成腔体，该腔体中未填充满磁流变粘塑性材料7，也就是说，将磁流变粘塑性材料7填充到腔体中的位置低于腔体的上表面，然后在填充的磁流变粘塑性材料7的表面继续沉积I型磁流变弹性材料4形成一个“封盖”22，仅对腔体封装。

实施例3：

如图13，加热喷嘴8沉积Ⅰ型磁流变弹性材料4形成较浅的腔体，然后，挤出喷嘴2向该腔体中填充磁流变粘塑性材料7；在此基础上，不断的增大软膜基体形成的腔体深度，随之，腔体中的磁流变弹性材料也逐渐增加，即加热喷嘴8和挤出喷嘴2交替运行，将Ⅰ型磁流变弹性材料4和磁流变粘塑性材料7逐层打印出来；最后，使用加热喷嘴8打印Ⅰ型磁流变弹性材料4形成一个“封盖”21，完成封装。

本实施实例中，每次沉积的最小高度是FDM方法的最低打印高度，即0.2mm，每次沉积的最大高度小于等于0.6mm。这种方式得到的磁流变复合体邻近两层结合性好，无缝隙，致密度高，磁流变复合体的机械性能更好。

实施例4：

上述实施例1、实施例2和实施例3中的I型磁流变弹性材料4形成的是一个具有一定深度的腔体，作为其他实施方式，可以形成其他各种样式，如图7的双柱状左右分布、图8的双柱状上下分布、图9的半柱状左右分布、图10的环状分布。对于图7、图9、图10，其成形过程与实施例2是类似的，只是根据形成的腔体形状、数量的不同，对加热喷嘴8和挤出喷嘴2的打印顺序进行调整。

综上，本发明将熔丝沉积技术与伺服加压注射技术结合起来，进行磁流变弹性材料和磁流变粘塑性材料复合结构快速成形，适用于固态-半固态材料复合体的生产制造，最终能够制备出几何结构非规则、物理性质非均匀的非均质磁流变复合体，具有工艺灵活、成形精度高、制造周期短等优点。

Claims (9)

1.一种磁流变复合体的快速成形方法，其特征在于，步骤如下：

通过3D打印的方式沉积I型磁流变弹性材料形成具有至少一个腔体的软模基体；

通过加压注射方法在所述腔体中沉积磁流变粘塑性材料或者通过3D打印的方式在所述腔体中沉积II型磁流变弹性材料；

通过3D打印的方式，用I型磁流变弹性材料封装所述磁流变粘塑性材料或者II型磁流变弹性材料以形成磁流变复合体。

2.根据权利要求1所述的磁流变复合体的快速成形方法，其特征在于，所述II型磁流变弹性材料与I型磁流变弹性材料的含量、颗粒种类或颗粒粒径不同。

3.根据权利要求1所述的磁流变复合体的快速成形方法，其特征在于，所述II型磁流变弹性材料与I型磁流变弹性材料的颗粒种类配比不同。

4.根据权利要求1-3任一项所述的磁流变复合体的快速成形方法，其特征在于，所述3D打印的方式为采用熔丝沉积3D打印的方式。

5.根据权利要求1所述的磁流变复合体的快速成形方法，其特征在于，所述封装为整体封装或仅封装所述腔体。

6.一种磁流变复合体的快速成形方法，其特征在于，步骤如下：

通过3D打印的方式沉积I型磁流变弹性材料形成具有至少一个腔体的软模基体；

通过加压注射方法在所述腔体中沉积磁流变粘塑性材料或者通过3D打印的方式在所述腔体中沉积II型磁流变弹性材料；

通过3D打印的方式增大所述软模基体形成的腔体深度，然后继续通过加压注射方法在所述腔体中沉积磁流变粘塑性材料或者通过3D打印的方式在所述腔体中沉积II型磁流变弹性材料；

通过3D打印的方式，用I型磁流变弹性材料整体封装所述磁流变粘塑性材料或者II型磁流变弹性材料以形成磁流变复合体。

7.根据权利要求6所述的磁流变复合体的快速成形方法，其特征在于，所述II型磁流变弹性材料与I型磁流变弹性材料的含量、颗粒种类或颗粒粒径不同。

8.根据权利要求6所述的磁流变复合体的快速成形方法，其特征在于，所述II型磁流变弹性材料与I型磁流变弹性材料的颗粒种类配比不同。

9.根据权利要求6-8任一项所述的磁流变复合体的快速成形方法，其特征在于，所述3D打印的方式为采用熔丝沉积3D打印的方式。