CN110121400B - 聚合物粘结磨料制品及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了使用粉末床喷射来制备聚合物粘结磨料制品及其前体的方法。通过该方法制备的聚合物粘结磨料制品包括具有弧形或曲折冷却通道的磨料制品、一体结构磨盘、磨料段、成型磨料颗粒和磨轮。

Description

聚合物粘结磨料制品及其制备方法
背景技术
通过压缩磨料颗粒(例如，金刚石、立方氮化硼、氧化铝、或SiC)、玻璃状粘结前体(例如，玻璃料、陶瓷前体)、任选的孔隙诱导剂(例如，玻璃泡、萘、压碎的椰子或核桃壳、或丙烯酸玻璃、或PMMA)和液体载体中的临时有机粘合剂(例如，酚醛树脂、聚乙烯醇、脲醛树脂或糊精的水溶液)的共混物，可以制备磨料制品(例如，磨轮、磨料段和磨石)。然后将共混的混合物放置于硬化的钢模中，然后加热直至玻璃状粘结前体转换为玻璃状粘结基质。
这种制造方法存在许多缺点：每个磨料制品形状都需要特殊的模具；模具通常是昂贵的并且生产周期长；任何设计变化都需要制造新模具；对于可以模制的形状存在限制，具有底切或诸如冷却通道的内部结构的复杂形状通常是不可能的；模具磨损，并且每个模具具有可以制造有限数量的单元；当模具填充有磨料混合物时，会发生组分的分离，从而导致不均匀的磨料组分和密度变化，这易于看见。此外，该过程为手动的劳动密集型过程。
发明内容
在一个方面，本公开涉及聚合物粘结磨料制品(诸如，旋转抛光工具、用于精加工的轮和组件、磨料段、磨石等)及其制备方法。聚合物粘结磨料制品包括诸如例如内部流动通道或表面上的复杂移除通道的形状。
聚合物粘结磨料制品可以直接用粘合剂喷射三维(3D)打印机制备，从而避免生产模具的需要。在该方法中，包括聚合物前体颗粒和磨料颗粒的粉末状颗粒薄层通过喷墨打印头分配的喷射粘合剂临时粘结在所需位置处。该打印粉末层随后被至少部分地干燥并降低，使得可以散布下一个粉末层。可以重复粉末散布、临时粘结和干燥过程以形成生坯磨料制品预制件，然后生坯磨料制品预制件从打印机移除，并且从保持未粘合的周围粉末中取出。磨料制品预制件然后进一步加工以将聚合物前体颗粒转换为聚合物基质，该聚合物基质保留磨料颗粒并且形成聚合物粘结磨料制品。
在一个实施方案中，本公开涉及聚合物粘结磨料制品，包括在其中具有保留在聚合物基质中的磨料颗粒的聚合物粘结材料，其中聚合物粘结磨料制品具有至少部分地穿过其延伸的曲折冷却通道和弧形冷却通道中的至少一个。
在另一实施方案中，本公开涉及聚合物粘结磨料制品前体，包括粘结在聚合物基质中的磨料颗粒，其中聚合物粘结磨料制品前体进一步包括以下中的至少一个：至少部分地穿过聚合物粘结磨料制品前体延伸的至少一个曲折冷却通道；或者至少部分地穿过聚合物粘结磨料制品前体延伸的至少一个弧形冷却通道。
在另一实施方案中，本公开涉及制备磨料制品的方法，包括：
a)子过程，包括：
i)在受限区域中沉积松散粉末颗粒的层，其中松散粉末颗粒包括聚合物粘结前体颗粒和磨料颗粒，并且其中松散粉末颗粒的层具有基本均匀的厚度；
ii)在松散粉末颗粒的层的预定区域中施加液体粘合剂前体材料；以及
iii)将液体粘合剂前体材料转换为临时粘合剂材料，其中临时粘合剂材料粘结到预定区域中的聚合物粘结前体颗粒和磨料颗粒中的至少一部分，以形成粘结粉末颗粒的层；
b)独立地执行步骤a)多次，以生成包括粘结粉末颗粒和剩余的松散粉末颗粒的磨料制品预制件，其中在每个步骤a)中，独立地选择松散粉末颗粒并且独立地选择液体粘合剂前体材料；以及
c)将磨料制品预制件中的聚合物粘结前体颗粒转换为聚合物粘结颗粒，其中聚合物粘结颗粒保留磨料颗粒以形成聚合物粘结磨料制品。
在考虑具体实施方式以及所附权利要求书时，将进一步理解本公开的特征和优点。
附图说明
图1A至图1D示出制备聚合物粘结磨料制品的方法的实施方案的示意性过程流程图。
图2是可以通过本公开的方法制备的示例性聚合物粘结磨轮的示意性横剖顶视图。
图3是可以通过本公开的方法制备的示例性聚合物粘结磨轮的示意性横剖顶视图。
图4是可以通过本公开的方法制备的示例性聚合物粘结磨料段的示意性透视图。
图5是可以通过本公开的方法制备的聚合物粘结磨轮的示意性透视图。
图6A是可以通过本公开的方法制备的一体结构磨盘的示意性透视图。
图6B是图6A的一体结构磨盘的示意性顶视图。
图7A是可以通过本公开的方法制备的一体结构磨盘700的示意性透视图。
图7B是图7A的一体结构磨盘的示意性顶视图。
图8是可以通过本公开的方法制备的旋转料磨具800的示意性透视图。
图9是用于实施例1和实施例2的在去粉后的3D打印部件的照片。
图10是在烤炉中固化之前的用于实施例1的放置于钢芯轴上的3D打印部件的照片。
图11是在烤炉中固化后的实施例1和实施例2的3D打印部件的照片。
图12是在去粉后的实施例3的3D打印部件的照片。
图13是在去粉后的实施例4的3D打印部件的照片。
图14是在固化(设定)后的实施例4的3D打印部件的照片。
图15是概括了利用钢芯轴上的实施例1的3D打印部件抛光的表面的光泽度测量的图。
在说明书和附图中重复使用的参考符号旨在表示本公开的相同或类似的特征结构或元件。本领域的技术人员可以设计出大量其他修改和实施方案，这些修改和实施方案均落入本公开的原理的范围和的精神内。附图可不按比例绘制。
具体实施方式
图1A-图1D示意性地描绘了可以用于制备聚合物粘结磨料制品的示例性粉末床喷射过程100。图1A示出三维(3D)打印装置102的示意性非限制性实施例，该装置可以用于通过在相同区域上重复沉积微粒材料来一次一层地附加地构建成型的磨料制品预制件的3D模型。3D打印机102通过将3D计算机辅助设计(CAD)绘图转变为多个二维横剖层来形成磨料制品预制件。3D打印机102沉积包括磨料颗粒和聚合物前体颗粒的微粒混合物的连续层，其然后可以在后续步骤中粘结在一起以形成在本文被称为磨料制品预制件的生坯制品。
参考图1A，3D打印装置102包括具有可以在方向A上移动的活塞驱动进料平台顶杆122a的第一室120a。顶杆122a支撑微粒110的混合物，该混合物在一些实施方案中包括磨料颗粒。粉末散布辊130在方向B上在微粒混合物110的表面131上移动以将微粒混合物110中的颗粒从粉末材料进料平台顶杆122a和室120a基本均匀地位移到第二室120b。
3D打印装置102进一步包括具有沿着方向A移动的活塞驱动构造平台顶杆122b的第二室120b。也参考图1B，顶杆122b上方的受限颗粒混合物沉积区域140接收包括可与混合物110中的颗粒相同或不同的磨料颗粒和聚合物前体颗粒的松散粉末颗粒的混合物的沉积层138。在一些实施方案中，松散粉末层138具有基本均匀的厚度。在被提供为实施例并且不旨在为限制性的一些实施方案中，该层的厚度可变化小于约100微米，或者小于约50微米，或者小于约30微米，或者小于约10微米。
顶杆122b可被调整为使得颗粒混合物沉积区域140具有任何期望的厚度。在各种实施方案中，如果随后施加到层138(在图1C中示出并且在以下论述)的喷射液体粘合剂前体材料可以接触施加液体粘合剂前体材料的所选区域中的所有颗粒，则松散粉末层138可具有高达约1毫米的任何厚度。在一些实施方案中，松散粉末层138的厚度从约10微米到约500微米，或者约10微米到约250微米，或者约50微米到约250微米，或者约100微米到约200微米。
松散粉末层138中的磨料颗粒可包括用于磨料工业中的任何磨料颗粒。在各种实施方案中，磨料颗粒具有至少4，或者至少5，或者至少6，更多或者至少7，或者至少8，或者至少8.5，或者至少9的莫氏硬度。在某些实施方案中，磨料颗粒包括超硬磨料颗粒，如本文所用，超硬磨料颗粒是指硬度大于或等于碳化硅(例如，碳化硅、碳化硼、立方氮化硼、和金刚石)的硬度的任何磨料颗粒。
合适的磨料材料的具体实施例包括氧化铝(例如，α氧化铝)材料(例如，熔融、热处理、陶瓷和/或烧结氧化铝材料)、碳化硅、二硼化钛、氮化钛、碳化硼、碳化钨、碳化钛、氮化铝、金刚石、立方氮化硼(cBN)、石榴石、熔融氧化铝-氧化锆、溶胶-凝胶法制备的磨料颗粒、氧化铈、氧化锆、氧化钛、以及他实施例们的组合。溶胶-凝胶衍生的磨料颗粒的实施例可见于美国专利4,314,827(Leitheiser等人)、美国专利4,623,364(Cottringer等人)；美国专利4,744,802(Schwabel)、美国专利4,770,671(Monroe等人)；以及美国专利4,881,951(Monroe等人)。也可使用包括聚合物粘结基质中的更细的磨料颗粒的附聚磨料颗粒(例如，如美国专利6,551,366(D'Souza等人)所描述的)。
为了实现高分辨率，在一些实施方案中，松散粉末层138中的颗粒的尺寸被设定成(例如，通过筛分)具有小于或等于400微米，或者小于或等于250微米，或者小于或等于200微米，或者小于或等于150微米，或者小于或等于100微米，小于或等于80微米，或者甚至小于或等于10微米的最大尺寸，但是也可使用更大尺寸。松散粉末层138中的包括聚合物粘结前体颗粒、磨料颗粒和任何任选的另外的微粒组分的颗粒可具有相同或不同的最大粒度、D90、D50、和/或D10粒度分布参数。
在不旨在为限制性的一些实施方案中，松散粉末层138中的磨料颗粒可以为金刚石颗粒、立方氮化硼颗粒、或者金属氧化物颗粒中的至少一种，并且可以具有约3.5g/cc到约3.9g/cc的密度。在其他实施方案中，松散粉末层138中的磨料颗粒可以为密度为约2.0g/cc到约2.2g/cc的金刚石附聚物。
松散粉末层138中的颗粒还包括聚合物前体颗粒。在一些实施方案中，聚合物前体颗粒包括热塑性聚合物树脂，该热塑性聚合物树脂可以软化以至少部分地围绕磨料颗粒流动。当至少部分地硬化时，热塑性树脂增强并且粘接性地保留磨料颗粒以针对特定应用制备具有期望形状的聚合物粘结磨料制品。合适的热塑性树脂的非限制性实施例包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、丙烯酸、氰基丙烯酸酯，环氧树脂以及它们的组合物。热塑性材料可通过包括热辐射或光化辐射(诸如，UV辐射)的施加的任何合适的技术软化。
在其他实施方案中，松散粉末层138中的聚合物前体颗粒包括有机热固性化合物，诸如例如酚醛树脂(例如，酚醛清漆和/或甲阶酚醛树脂)、丙烯酸单体(例如，聚(甲基)丙烯酸酯、(甲基)丙烯酸、(甲基)丙烯酰胺等，其中(甲基)指示丙烯酸或甲基丙烯酸)、环氧树脂、氰酸酯树脂、异氰酸酯树脂(包括聚脲和聚氨酯树脂)、醇酸树脂、脲醛树脂、氨基塑料树脂、硅酮以及它们的组合物。当至少部分地硬化或固化时，这些热固性化合物形成共价交联粘结网络，该共价交联粘结网络增强并且粘接性地保留磨料颗粒以针对特定应用制备具有期望形状的聚合物粘结磨料制品。热固性材料可通过包括热辐射或光化辐射(诸如，UV辐射)的施加的任何合适的技术软化。
在各种实施方案中，松散粉末层138中的微粒的混合物包括约1重量％至约99重量％，或者约5重量％至约95重量％，或者约7重量％至约93重量％，或者约10重量％至约90重量％，或者约20重量％至约80重量％的聚合物前体颗粒。在各种实施方案中，松散粉末层138包括约1重量％至约99重量％，或者约5重量％至约95重量％，或者约15重量％至约85重量％，或者约20重量％至约80重量％，或者约30重量％至约70重量％，或者约40重量％至约60重量％的磨料颗粒。
合适粉末层的更加具体的实施例包括但不限于约7重量％的磨料颗粒至约93重量％的聚合物前体颗粒，或者约93重量％的磨料颗粒至约7重量％的聚合物前体颗粒，或者约76重量％的磨料颗粒至约24重量％的聚合物前体颗粒。
在一些实施方案中，松散粉末层138还可包括粘合剂前体颗粒。当与粉末层138的(一个或多个)预定区域中的液体粘合剂活化液体反应或暴露于该液体粘合剂活化液体时，粘合剂前体颗粒可以在预定区域中形成粘合剂以临时粘结松散粉末层138中的磨料颗粒和聚合物前体颗粒以及磨料颗粒并且形成如下面更详细解释的磨料制品预制件。在一些实施方案中，一些或所有松散粉末颗粒138可涂覆有粘合剂前体材料，该粘合剂前体材料在暴露于活化液体时在所涂覆的颗粒上活化。
在一些实施方案中，松散粉末层138中的颗粒可任选地包括其他组分，诸如例如，孔隙诱导剂、润滑剂、填料颗粒、加工助剂和它们的混合物和组合物。孔隙诱导剂的非限制性实施例包括玻璃泡和有机颗粒。合适的润滑剂包括但不限于石墨、硫、聚四氟乙烯(PTFE)、二硫化钼和它们的混合物和组合物。合适的加工助剂包括但不限于流平剂，诸如热解法二氧化硅、纳米二氧化硅、硬脂酸酯、淀粉和它们的混合物和组合物。添加剂对在聚合物粘结磨料制品中采用的磨料颗粒具有很少或没有不利影响。
松散粉末层138中的颗粒可任选地被改性，以改善其流动性和层散布的均匀性。改善粉末的方法包括附聚、喷雾干燥、气雾化或水雾化、火焰成形、制粒、研磨和筛分。
在一些实施方案中，松散粉末层138中的磨料颗粒可任选地包括一个或多个涂层以促进粘接到聚合物前体颗粒，控制聚合物粘结磨料制品中的树脂的总量等。在不旨在为限制性的一个实施例中，磨料颗粒可包括酚醛树脂预聚物(诸如，甲阶酚醛树脂)的涂层，并且在散布之前也可涂覆有酚醛清漆树脂材料。
在一些实施方案中，松散粉末层138中的颗粒可任选地包括陶瓷前体(例如，氧化铝或氧化锆的前体)，诸如例如当被焙烧时转换为对应的陶瓷形式的铝土矿、勃姆石、煅烧氧化铝、或煅烧氧化锆。
参考图1C，液体粘合剂前体材料170通过3D打印装置102的打印头150喷射到松散粉末层138的(一个或多个)预定区域180上。液体粘合剂前体材料因此涂覆区域180中的松散粉末颗粒，并且随后转换为将预定区域180中的松散粉末颗粒至少临时彼此粘结的粘合剂。液体粘结接前体材料170可为可以转换(例如，通过蒸发或热、化学、和/或辐射固化(例如，使用UV或可见光))为根据由打印头150的编程移动获得的喷射图案(和多次重复时的最终3D形状)将松散粉末颗粒粘结在一起的粘合剂材料的任何组合物。
在一些实施方案中，液体粘合剂前体材料170包括液体载体和聚合物。液体载体可包括至少一种有机溶剂和水中的一种或多种。示例性有机溶剂包括但不限于在一些非限制性实施方案中具有高于100℃闪点的醇(例如，丁醇、乙二醇单甲醚)、酮和醚。对合适的一种或多种溶剂的选择通常将取决于具体应用的要求，诸如例如期望的表面张力和粘度、所选择的微粒固体等。
在一些实施方案中，包括在液体载体中的一种或多种有机溶剂可以比如控制液体粘合剂前体材料170的干燥速度或表面张力中的至少一种，允许(例如，表面活性剂的)成分溶解，或作为任意成分的次要组分；例如，有机共溶剂可作为一种成分而被添加至液体载体中从而存在于表面活性剂中。用于液体粘合剂前体材料170的示例性有机溶剂包括但不限于醇，诸如甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、仲丁醇、叔丁醇和异丁醇；酮或酮醇，诸如丙酮、环己酮、甲基乙基酮和双丙酮醇；酯，诸如乙酸乙酯和乳酸乙酯；多元醇，诸如乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、丙二醇、丁二醇、1,4-丁二醇、1,2,4-丁三醇、1,5-戊二醇、1,2,6-己三醇、己二醇、甘油、甘油乙氧基化物和三羟甲基丙烷乙氧基化物；低级烷基醚，诸如乙二醇甲基醚或乙基醚、二乙二醇乙基醚、三甘醇甲基醚或乙基醚、乙二醇正丁醚，二乙二醇正丁醚、二乙二醇甲基醚、乙二醇苯醚、丙二醇甲基醚、二丙二醇甲基醚、三丙二醇甲基醚、丙二醇甲醚乙酸酯、二丙二醇甲醚乙酸酯，丙二醇正丙醚、二丙二醇正丙醚、三丙二醇正丙醚，丙二醇正丁醚、二丙二醇正丁醚、三丙二醇正丁醚、丙二醇苯醚和二丙二醇二甲基醚；含氮化合物，诸如2-吡咯烷酮和N-甲基-2-吡咯烷酮；含硫化合物，诸如二甲基亚砜、四亚甲基砜和硫甘醇；以及任何前述物质的组合。
液体载体可以完全为水，或者可以包含与适于溶解液体粘合剂前体材料170中的聚合物的一种或多个有机溶剂组合的水。优选地，基于总重量计，水性载体包含至少20％的水，至少30％的水，至少40％的水，至少50％的水，或甚至至少75％的水。
液体载体中的有机溶剂和/或水的量可以取决于多种因素，诸如液体粘合剂前体材料170的特别期望的特性，诸如粘度、表面张力和/或干燥速率，这些特性继而可以取决于诸如旨在用于液体粘合剂前体材料的喷墨打印技术类型(诸如例如压电型或热型打印头150)等因素。
液体粘合剂前体材料170中的聚合物可以可溶于或可分散于液体载体中。用于液体粘合剂前体材料170的合适的聚合物的实施例包括聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯己内酰胺、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚(2-乙基-2-恶唑啉)(PEOX)、聚丁酸乙烯酯、甲基乙烯基醚和马来酸酐的共聚物、丙烯酸和/或丙烯酸羟乙酯的特定共聚物、甲基纤维素、天然聚合物(例如，糊精、瓜尔胶、黄原胶)。在一些实施方案中，聚乙烯吡咯烷酮可以与包括水或者主要为水的液体载体一起使用。相反或此外，如果需要，可使用除上述所列之外的其它有机聚合物。
液体粘合剂前体材料170可包括一种或多种自由基聚合或另外的辐射固化型材料；例如，丙烯酸类单体和/或低聚物和/或环氧树脂。也可包括用于固化自由基聚合或另外的辐射固化型材料的有效量的光引发剂和/或光催化剂。合适的(甲基)丙烯酸酯单体和低聚物以及另外的辐射固化型材料(例如，环氧树脂)的实施例可见于例如美国专利5,766,277(DeVoe等人)中。
在一些优选的实施方案中，液体粘合剂前体材料170基本上不含(例如，包含小于1％、小于0.1％、小于0.01％，或甚至不含)金属纳米粒子颗粒和/或金属氧化物纳米颗粒。如本文所用，术语“纳米颗粒”是指具有小于或等于1微米，或者小于或等于500纳米(nm)或者甚至小于或等于150nm的平均粒径的颗粒。
另选地或除此之外，液体粘合剂前体170可为包括用于氧化铝和/或氧化锆的陶瓷前体的水溶胶。实施例包括水性勃姆石溶胶和氧化锆溶胶。在此类情况下，在焙烧以产生聚合物粘结磨料制品之后，液体粘合剂前体170可具有与磨料颗粒相同或不同的组合物。关于氧化锆溶胶的细节可见于例如美国专利6,376,590(Kolb等人)中。关于勃姆石溶胶的细节可见于例如美国专利4,314,827(Leitheiser等人)、5,178,849(Bauer)、4,518,397(Leitheiser等人)、4,623,364(Cottringer等人)、4,744,802(Schwabel)、4,770,671(Monroe等人)、4,881,951(Wood等人)、4,960,441(Pellow等人)、5,011,508(Wald等人)、5,090,968(Pellow)、5,139,978(Wood)、5,201,916(Berg等人)、5,227,104(Bauer)、5,366,523(Rowenhorst等人)、5,429,647(Larmie)、5,547,479(Conwell等人)、5,498,269(Larmie)、5,551,963(Larmie)、5,725,162(Garg等人)和5,776,214(Wood)中。
在一些实施方案中，喷射的液体粘合剂前体170可为活化液体，该活化液体与松散粉末层138中的(一个或多个)预定区域中的固体粘合剂前体颗粒反应或接触，并且致使粘合剂前体颗粒形成粘合剂以将预定区域中的磨料颗粒和聚合物前体颗粒临时粘结在一起。在一些实施方案中，喷射的活化液体170与松散粉末层138中的选定颗粒上的粘合剂前体层反应或接触，这然后致使粘合剂前体层形成粘合剂以将预定区域中的磨料颗粒和聚合物前体颗粒粘结在一起。
现在参考图1D，喷射的液体粘合剂前体材料170转换(步骤190)为粘合剂材料，该粘合剂材料将松散粉末颗粒138的预定区域180中的松散粉末颗粒至少临时粘结在一起以形成粘结粉末颗粒的层。液体粘合剂前体材料可以多种方式(诸如例如通过液体粘合剂前体材料170中的液体载体的蒸发，或者通过液体粘合剂前体材料的熔融或软化)转换为液体粘合剂。可通过本领域已知的任何方式(例如，冷淬火或空气冷却至室温)来实现冷却。
然后重复上述步骤(图1D的步骤185)，其中区域180具有改变，其中在松散粉末层138的选定区域中根据预定的编程设计执行喷射以在图1D的步骤195中通过层层重复产生三维(3D)生坯磨料制品预制件196。在每次重复中，可独立地选择松散粉末颗粒和液体粘合剂前体材料；即松散粉末颗粒和液体粘合剂前体材料中的任一者或两者可与相邻沉积层中的那些相同或不同。
所得的磨料制品预制件196为包括由粘合剂材料粘结的粉末颗粒以及任何剩余的未粘合松散粉末颗粒的生坯磨料制品。一旦已执行足够的重复以形成磨料制品预制件196，在一些实施方案中，磨料制品预制件可以与基本上全部(例如，至少85％，至少90％，至少95％，或者至少99％)剩余的未结合松散粉末颗粒分离，但是在本公开的过程中并非必须如此。
如果需要，各自包含不同粉末的多个颗粒贮存器可用于图1的过程的每个步骤185中。同样地，可通过共用的打印头150或者在一些实施方案中通过单独的打印头使用多种不同液体粘合剂前体材料170。因此，不同的粉末/粘合剂可以分布在聚合物粘结磨料制品的不同且离散的区域中。例如，相对廉价但性能较差的磨料颗粒和/或聚合物粘结前体颗粒可被转移到聚合物粘结磨料制品的区域，在这些区域中(例如，在远离研磨表面的内部中)具有高性能特性不是特别重要。
适于制备本公开的聚合物粘结磨料制品的粉末床喷射3D打印设备可例如从宾夕法尼亚州北亨廷顿的ExOne(ExOne,North Huntington,PA)商购获得。关于适于实践本公开的粉末床喷射技术的进一步的细节可见于例如美国专利5,340,656(Sachs等人)和6,403,002B1(van der Geest)。
在图1D的步骤197中，进一步加工生坯磨料制品预制件196以形成聚合物粘结磨料制品198。进一步加工步骤197可取决于预期应用而广泛地变化，但是通常将磨料颗粒预制件196中的聚合物前体颗粒转化为保留预制件196中的磨料颗粒或者与磨料颗粒粘结的聚合物基质。
在一些实施方案中，加工步骤197包括加热磨料制品预制件196以致使聚合物前体颗粒软化磨料制品预制件196中的至少一些磨料颗粒并且围绕该至少一些磨料颗粒流动。软化的聚合物前体颗粒占据磨料颗粒之间的间隙以形成磨料制品保留基质。磨料制品预制件196加热到的温度当然取决于存在于其中的聚合物前体和磨料颗粒，但是在一些非限制性示例性实施方案中，将预制件196加热到约150℃到约350℃，或者约200℃到约250℃，或者约205℃到约230℃。预制件196可通过任何合适的方法加热，包括例如在烤炉中加热，利用激光加热，或者通过施加辐射加热。在一些实施方案中，预制件196加热到的温度可足以移除存在于预制件196中的至少一部分或者全部粘合剂材料。在冷却步骤后，聚合物基质足够地保留磨料颗粒，使得所得的聚合物粘结磨料制品198可以用于选定的磨削应用中。
在另一实施方案中，加工步骤197可包括施加到光化辐射(诸如例如紫外线(UV)辐射)的磨料制品预制件196，以至少部分地固化聚合物前体颗粒并且形成聚合物基质，以保留至少一些磨料颗粒并且形成聚合物粘结磨料制品198。
在又一实施方案中，加工步骤197可包括将活化材料或聚合材料施加到磨料制品预制件196，以使聚合物前体颗粒至少部分地聚合并且形成聚合物基质，以保留至少一些磨料颗粒并且形成聚合物粘结磨料制品198。
应当指出的是，加工步骤197可以包括施加热量、光化辐射或者聚合材料和活化材料中的一种或组合，并且这些加工步骤可连续执行或者分批地执行。
在一些实施方案中，聚合物粘结磨料制品198在其整个体积上可以具有相当大的孔隙度。因此，在一些实施方案中，磨料制品预制件196在加工步骤197之前、期间或者之后可任选地被注入另外的聚合物粘合剂前体材料或者晶粒生长改性剂的溶液或分散体。
根据本公开的方法适用于制造不能轻易地或容易地通过其他方法制成的各种聚合物粘结磨料制品198。例如，如果存在用于移除未粘结的松散粉末的通向磨料制品预制件196外部的开口，内部空隙可包括在聚合物粘结磨料制品198中。使用本公开的方法，可以轻易地制造具有通向聚合物粘结磨料制品198外部的曲折路径和或弧形路径的冷却通道。在一些实施方案中，聚合物粘结磨料制品198可以具有单个开口，但更典型地，它们具有两个或更多个开口。冷却介质(例如，空气、水或油)通过冷却通道循环，以去除研磨期间产生的热量。
在一些实施方案中，聚合物粘结磨料制品198还可以被注入浸渍剂，以使该部件致密并且增强。在不旨在为限制性的一个实施例中，聚合物粘结磨料颗粒198可以浸入聚合物浸渍剂中，并且可以允许聚合物材料进入该部件内的任何多余的空隙。然后，聚合物浸渍剂可以固化以硬化，以增强已浸渍部件或者针对特定应用以其他方式改性已浸渍部件的特性。
聚合物粘结磨料制品198可任选地机加工或者附接到金属芯轴以形成合适的磨削部件，诸如例如一体结构磨盘、磨削头、磨料段、成型的磨料颗粒(例如，三角形磨料颗粒)、磨轮等。
现在参考图2，示例性聚合物粘结磨轮200分别具有弧形和曲折冷却通道210。
图3示出具有曲折冷却通道320的另一个示例性聚合物粘结磨轮300。
图4示出示例性聚合物粘结磨料段400。在典型应用中，多个聚合物粘结磨料段400沿着金属盘的圆周均匀地间隔安装，以形成磨轮。
图5示出聚合物粘结磨盘500具有两个区域510、520。每个区域分别具有被保留在聚合物粘结基质材料550、560中的磨料颗粒530、540。
图6A和图6B以及图7A和图7B分别示出具有与平面基底620、720一体形成的精确成型的磨料元件610、710的各种一体结构磨盘。
图8示出了旋转磨料工具800(一种用于手持式马达驱动轴的钻头，诸如例如Dremel工具)。
图2和图3中示出的前述聚合物磨轮可以通过加热或者以其他方式转换对应的磨料制品前体生坯体(即，具有相同一般形状特征但包括通过临时粘合剂保持在一起的聚合物粘结前体颗粒)进行制备。
本公开的选择实施方案
实施方案A：一种聚合物粘结磨料制品，包括在其中具有保留在聚合物基质中的磨料颗粒的聚合物粘结材料，其中聚合物粘结磨料制品具有至少部分地穿过其延伸的曲折冷却通道和弧形冷却通道中的至少一个。
实施方案B.根据实施方案A所述的聚合物粘结磨料制品，其中磨料颗粒包括第一磨料颗粒和第二磨料颗粒，其中第一磨料颗粒和第二磨料颗粒设置在聚合物粘结磨料制品内的预定的不同区域中。
实施方案C.根据实施方案A或B所述的聚合物粘结磨料制品，其中不同的区域为层。
实施方案D.根据实施方案A至C中的任一项所述的聚合物粘结磨料制品，其中磨料颗粒包括金刚石颗粒或立方氮化硼颗粒中的至少一种。
实施方案E.根据实施方案A至D中的任一项所述的聚合物粘结磨料制品，其中磨料颗粒包括碳化硅、碳化硼、氮化硅、或者金属氧化物陶瓷颗粒中的至少一种。
实施方案F.根据实施方案A至E中的任一项所述的聚合物粘结磨料制品，其中聚合物粘结磨料制品选自一体结构磨盘、磨料磨削钻头、磨料段、和磨轮。
实施方案G.一种聚合物粘结磨料制品前体，包括粘结在聚合物基质中的磨料颗粒，其中聚合物粘结磨料制品前体还包括以下中的至少一个：至少部分地穿过聚合物粘结磨料制品前体延伸的至少一个曲折冷却通道；或者至少部分地穿过聚合物粘结磨料制品前体延伸的至少一个弧形冷却通道。
实施方案H.根据实施方案G所述的聚合物粘结磨料制品前体，其中磨料颗粒包括碳化硅、碳化硼、氮化硅、或者金属氧化物陶瓷颗粒中的至少一种。
实施方案I.一种制备磨料制品的方法，包括：
a)子过程，包括：
i)在受限区域中沉积松散粉末颗粒的层，其中松散粉末颗粒包括聚合物粘结前体颗粒和磨料颗粒，并且其中松散粉末颗粒的层具有基本均匀的厚度；
ii)在松散粉末颗粒的层的预定区域中施加液体粘合剂前体材料；
iii)将液体粘合剂前体材料转换为临时粘合剂材料，其中临时粘合剂材料粘结到预定区域中的聚合物粘结前体颗粒和磨料颗粒中的至少一部分，以形成粘结粉末颗粒的层；
b)独立地执行步骤a)多次，以生成包括粘结粉末颗粒和剩余的松散粉末颗粒的磨料制品预制件，其中在每个步骤a)中，独立地选择松散粉末颗粒并且独立地选择液体粘合剂前体材料；以及
c)将磨料制品预制件中的聚合物粘结前体颗粒转换为聚合物粘结颗粒，其中聚合物粘结颗粒保留磨料颗粒以形成聚合物粘结磨料制品。
实施方案J.根据实施方案I所述的方法，其中磨料颗粒包括金刚石颗粒、立方氮化硼颗粒、或者金属氧化物陶瓷颗粒中的至少一种。
实施方案K.根据实施方案I至J中的任一项所述的方法，其中液体粘合剂前体材料包括具有在其中溶解或分散的聚合物的液体载体。
实施方案L.根据实施方案I至K中的任一项所述的方法，该方法还包括在转换步骤(c)之前，将大体上所有的剩余松散粉末颗粒与磨料制品预制件分离。
实施方案M.根据实施方案I至L中的任一项所述的方法，其中松散粉末颗粒包括亚微米陶瓷颗粒。
实施方案N.根据实施方案I至M中的任一项所述的方法，其中聚合物粘结前体颗粒选自聚氨酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂以及它们的组合物。
实施方案O.根据实施方案I至N中的任一项所述的方法，其中转换步骤(c)包括将磨料制品预制件加热到足以至少部分地软化聚合物粘结前体颗粒的温度以形成聚合物粘结颗粒。
实施方案P.根据实施方案I至O中的任一项所述的方法，其中转换步骤(c)包括将磨料制品预制件加热到足以使聚合物粘结前体颗粒聚合的温度以形成聚合物粘结颗粒。
实施方案Q.根据实施方案I至P中的任一项所述的方法，其中转换步骤(c)包括将磨料制品预制件的选定部分加热到足以至少部分地软化并聚合聚合物粘结前体颗粒的温度以形成聚合物粘结颗粒。
实施方案R.根据实施方案I至Q中的任一项所述的方法，其中将磨料制品预制件加热到约150℃到约250℃的温度。
实施方案S.根据实施方案I至R中的任一项所述的方法，其中转换步骤(c)包括将聚合剂施加到磨料制品预制件以至少部分地使聚合物粘结前体颗粒聚合以形成聚合物粘结颗粒。
实施方案T.根据实施方案I至S中的任一项所述的方法，该方法还包括在步骤(a)(ii)之前加热松散粉末颗粒。
实施方案U.根据实施方案I至T中的任一项所述的方法，其中将松散粉末颗粒加热到高达约30℃的温度。
实施方案V.根据实施方案I至U中的任一项所述的方法，其中临时粘合剂材料包括聚乙烯吡咯烷酮。
实施方案W.一种制备磨料制品的方法，包括：
a)子过程，包括：
i)在受限区域中沉积松散粉末颗粒的层，其中松散粉末颗粒包括约5重量％至95重量％的聚合物粘结前体颗粒和约5重量％至约95重量％的磨料颗粒，并且其中松散粉末颗粒的层具有大体均匀的厚度；
ii)在松散粉末颗粒的层的预定区域中喷射液体粘合剂前体材料；以及
iii)将液体粘合剂前体材料转换为临时粘合剂材料，临时粘合剂材料将预定区域中的松散粉末颗粒的颗粒粘结在一起，以形成粘结粉末颗粒的层；
b)独立地执行步骤a)多次，以生成包括粘结粉末颗粒和剩余的松散粉末颗粒的磨料制品预制件，其中在每个步骤a)中，独立地选择松散粉末颗粒并且独立地选择液体粘合剂前体材料；以及
c)加热磨料制品预制件中的聚合物粘结前体颗粒以固化聚合物粘结前体颗粒以形成聚合物粘结颗粒，其中聚合物粘结颗粒保留磨料颗粒以形成聚合物粘结磨料制品。
实施方案X.根据实施方案W所述的方法，该方法还包括在步骤(a)(ii)之前，将松散粉末颗粒加热到高达约30℃的温度。
实施方案Y.根据实施方案W或X所述的方法，该方法还包括在转换步骤(c)之前，将大体上所有的剩余松散粉末颗粒与磨料制品预制件分离。
实施方案Z.根据实施方案W至Y中的任一项所述的方法，其中松散粉末颗粒还包括聚合物粘结前体颗粒。
实施方案AA.根据实施方案W至Z中的任一项所述的方法，该方法还包括在步骤(c)之后烧结聚合物粘结磨料制品以将聚合物粘结前体颗粒转换为聚合物粘结颗粒并且形成聚合物粘结磨料制品。
实施方案BB.根据实施方案W至AA中的任一项所述的方法，该方法还包括利用聚合物浸渍剂浸渍聚合物粘结磨料制品。
通过以下非限制性实施例，进一步示出了本公开的目的和优点，但在这些实施例中引用的具体材料及其量以及其它条件和细节不应视为对本公开的不当限制。
实施例
一般过程描述：
制备聚合物粉末和磨料颗粒的混合物并且将其放置于购自宾夕法尼亚州北亨廷顿ExOne公司(The ExOne Company,North Huntingdon,PA)的ExOne M-LAB 3D打印机的进料室中。打印机的粘合剂供应瓶填充有以PM-B-SR1-04购自ExOne公司的醚类溶剂基聚合物粘合剂。
将3D模型制备成文件以制作用于旋转工具和抛光形状的示例性部件，并且将文件制备成ExOne M-lab打印机的打印作业。
在打印后，取出所打印的段和部件，对其去粉，并且发现其相当稳定。将这些段和部件放置于金属芯轴上，并且放置于烤炉中以使附聚物周围的粉末致密并且将3D形状附接到金属芯轴。如下所述，评估致密部件的磨料性能。
实施例1
按以下重量制备粉末混合物：得自路博润X2006-NAT-025PWD(俄亥俄州布雷克斯维尔市路博润先进材料公司(Lubrizol Advanced Materials,Brecksville,Ohio))的67％的聚氨酯粉末和33％的9μm金刚石附聚物(威斯康辛州坎伯兰3M公司，012116-SD1(3MCompany,Cumberland,Wisconsin 012116-SD1))。用于形成部件的3D模型是具有盖的中空圆柱体。在ExOne M-lab打印机中打印成型的部件。层高度为100μm，散布机速度为5mm/min，打印饱和度设定为标称90％水平，并且干燥时间设定为15秒，其中加热器功率设定为50％。粘合剂为ExOne PM-B-SR1-04。
将部件去粉(图9)并且放置于直径为3mm的钢芯轴上，如图10的照片所示。然后将部件在210℃下固化1小时。所得的固化制品的照片在图11中示出。
实施例2
粉末混合物的制备与实施例1相同：得自路博润X2006-NAT-025PWD的67％的聚氨酯粉末和33％的9μm金刚石附聚物(坎伯兰3M公司，012116-SD1(3M Cumberland,012116-SD1))。用于形成部件的3D模型是中空圆柱体上的截头圆锥体。在ExOne M-lab打印机中打印成型的部件。层高度为100μm，散布机速度为5mm/min，打印饱和度设定为标称90％水平，并且干燥时间设定为15秒，其中加热器功率设定为50％。粘合剂为ExOne PM-B-SR1-04。
将部件去粉(图9)并且(仅)放置于铝托盘中的少量的金刚石附聚物上。然后将部件在210℃下固化1小时。所得的固化制品的照片在图11中示出。
实施例3
粉末混合物的制备与实施例1相同：得自路博润X2006-NAT-025PWD的67％的聚氨酯粉末和33％的9μm金刚石附聚物(坎伯兰3M公司，012116-SD1(3M Cumberland,012116-SD1))。用于形成部件的3D模型是在外部周围具有弧形凹槽并且具有圆形顶部的圆柱体，圆形顶部具有沿着圆柱体的轴线连接到中央盲孔的对准到半径的反向渐缩锥形孔。在ExOneM-lab打印机中打印成型的部件。层高度为100μm，散布机速度为5mm/min，打印饱和度设定为标称90％水平，并且干燥时间设定为15秒，其中加热器功率设定为50％。粘合剂为ExOnePM-B-SR1-04。
将部件去粉，并且去粉的部件的照片在图12中示出。
实施例4
按以下重量制备粉末混合物：30％的3M Scotchkote 6258环氧树脂(明尼苏达州布圣保罗市3M公司(3M Company,St.Paul,MN))和70％的P280氧化铝磨料(奥地利菲拉赫Imerys熔融矿物股份有限公司(Imerys Fused Minerals GmbH,Villach,Austria))。用于形成部件的3D模型是具有盖的中空圆柱体。在ExOne M-lab打印机中打印成型的部件。层高度为100μm，散布机速度为5mm/min，打印饱和度设定为标称90％水平，并且干燥时间设定为15秒，其中加热器功率设定为80％。粘合剂为ExOne PM-B-SR1-04。
将部件去粉，并且去粉的部件的照片在图13中示出。将圆柱体部件放置于钢轴上并在125℃下固化(设定)45分钟。在固化后的所打印部件的照片在图14中示出。
抛光结果
提供如图11所示的实施例1的芯轴工具用于氧化锆的湿法抛光。通过将100至250克力(gf)施加到以15,000rpm旋转的芯轴上，将表面尺寸为15mm×20mm的氧化锆试样块抛光大约30秒。
在独立的氧化锆试样块上运行每种受力条件。在所施加的力的时间内，以均匀的方式移动该工具以影响尺寸约为5mm×5mm的区域。
在抛光后，测量样品的光泽度并且在图15中示出。在抛光后利用得自Rhopoint仪器公司(英国东萨西克斯)(Rhopoint Instruments(East Sussex,UK))的Novo-Curve光泽度计测量60度光泽度GU(光泽度单位)。测量氧化锆样品在两个垂直方向上的光泽度(“光泽度1”和“光泽度2”)。200gf和250gf的材料损失为约每分钟1mg，并且对于其他条件，损失低于可测量的极限。在抛光期间以及抛光后，3D聚合物粘结磨料形状没有显示开裂以及与芯轴分离的迹象。
以上获得专利证书的申请中所有引用的参考文献、专利和专利申请以一致的方式全文以引用方式并入本文中。在并入的参考文献部分与本申请之间存在不一致或矛盾的情况下，应以前述说明中的信息为准。为了使本领域的普通技术人员能够实践受权利要求书保护的本公开而给出的前述说明不应理解为是对本公开范围的限制，本公开的范围由权利要求书及其所有等同形式限定。

Claims (17)

1.一种制备磨料制品的方法，所述方法包括：
a)子过程，所述子过程包括：
i)在受限区域中沉积松散粉末颗粒的层，其中所述松散粉末颗粒包括聚合物粘结前体颗粒和磨料颗粒，并且其中所述松散粉末颗粒的层具有大体均匀的厚度；
ii)以图案方式喷射临时液体有机粘合剂前体材料，其中所述图案包括在所述松散粉末颗粒的层的预定区域中施加临时液体有机粘合剂前体材料以使得所述松散粉末颗粒的层的部分未接收临时液体有机粘合剂前体材料；
iii)将所述临时液体有机粘合剂前体材料转换为临时粘合剂材料，其中所述临时粘合剂材料粘结到所述预定区域中的所述聚合物粘结前体颗粒和所述磨料颗粒中的至少一部分，以形成粘结粉末颗粒的层；
b)独立地执行步骤a)多次，以生成包括所述粘结粉末颗粒和剩余松散粉末颗粒的一体磨料制品预制件，所述临时液体有机粘合剂前体材料以第一图案喷射在第一层上、以第二图案喷射在第二层上，并且其中所述第一图案和所述第二图案不同，其中在每个步骤a)中，独立地选择所述松散粉末颗粒并且独立地选择所述临时液体有机粘合剂前体材料；
c)在步骤(a)和(b)中形成所述一体磨料制品预制件后，将至少85％的剩余松散粉末颗粒与所述一体磨料制品预制件分离，其中剩余松散粉末颗粒的分离导致：
至少一个曲折冷却通道至少部分地穿过所述一体磨料制品预制件延伸；或
至少一个弧形冷却通道至少部分地穿过所述一体磨料制品预制件延伸；并且
其中所述至少一个曲折冷却通道或弧形冷却通道是通过步骤(ii)中未接收临时液体有机粘合剂前体材料的部分形成的；以及
d)将所述磨料制品预制件中的所述聚合物粘结前体颗粒转换为聚合物粘结颗粒，其中所述聚合物粘结颗粒保留所述磨料颗粒以形成聚合物粘结磨料制品。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述磨料颗粒包括金刚石颗粒、立方氮化硼颗粒、或者金属氧化物陶瓷颗粒中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述临时液体有机粘合剂前体材料包括具有溶解或分散在其中的聚合物的液体载体。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述松散粉末颗粒包括亚微米陶瓷颗粒。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述聚合物粘结前体颗粒选自聚氨酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂以及它们的组合物。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述转换步骤(d)包括将所述磨料制品预制件加热到足以至少部分地软化所述聚合物粘结前体颗粒的温度，以形成所述聚合物粘结颗粒。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述转换步骤(d)包括将所述磨料制品预制件加热到足以使所述聚合物粘结前体颗粒聚合的温度，以形成所述聚合物粘结颗粒。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述转换步骤(d)包括将所述磨料制品预制件的选定部分加热到足以至少部分地软化并聚合所述聚合物粘结前体颗粒的温度，以形成所述聚合物粘结颗粒。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中在所述转换步骤(d)中将所述磨料制品预制件加热到150℃至250℃的温度。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述转换步骤(d)包括将聚合剂施加到所述磨料制品预制件，以使所述聚合物粘结前体颗粒至少部分地聚合，以形成聚合物粘结颗粒。
11.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括在步骤(a)(ii)之前加热所述松散粉末颗粒。
12.一种一体聚合物粘结磨料制品，所述一体聚合物粘结磨料制品包括在其中具有保留在聚合物基质中的磨料颗粒的聚合物粘结材料，其中所述一体聚合物粘结磨料制品具有至少部分地穿过其延伸的曲折冷却通道和弧形冷却通道中的至少一个，并且其中所述一体聚合物粘结磨料制品是通过权利要求1所述的方法制备的。
13.根据权利要求12所述的一体聚合物粘结磨料制品，其中所述磨料颗粒包括第一磨料颗粒和第二磨料颗粒，其中所述第一磨料颗粒和所述第二磨料颗粒设置在所述一体聚合物粘结磨料制品内的预定的不同区域中。
14.根据权利要求13所述的一体聚合物粘结磨料制品，其中所述不同区域为层。
15.根据权利要求12至14中的任一项所述的一体聚合物粘结磨料制品，其中所述磨料颗粒包含金刚石颗粒或立方氮化硼颗粒中的至少一种。
16.根据权利要求12至14中的任一项所述的一体聚合物粘结磨料制品，其中所述磨料颗粒包含碳化硅、碳化硼、氮化硅、或金属氧化物陶瓷颗粒中的至少一种。
17.根据权利要求12至14中的任一项所述的一体聚合物粘结磨料制品，其中所述一体聚合物粘结磨料制品选自一体结构磨盘、磨料磨削钻头、磨料段、和磨轮。
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