CN111873405B - 一种基于光固化技术的绝热装药一体化增材制造方法及打印装置和成形设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光固化技术的绝热装药一体化增材制造方法及打印装置和成形设备，属于固体发动机制造技术领域，本发明基于光固化技术提出绝热装药一体化的制造方法，采用多组分同步进料的方式打印绝热层，其目的在于构建一种梯度化结构的绝热层。该种结构的绝热层具有与药柱及壳体接触面粘合剂含量高，使其具有良好的界面粘接性能，中间层耐烧蚀填料含量高，使其整体具有较好的耐烧蚀性能。因此本发明的工艺能够实现药柱与绝热层的同步制造，无需使用衬层来实现推进剂与绝热层的界面粘接，可有效降低固体火箭发动机的消极质量，提升固体火箭发动机性能。

Description

一种基于光固化技术的绝热装药一体化增材制造方法及打印 装置和成形设备

技术领域

本发明属于固体火箭发动机制造技术领域，具体涉及一种基于光固化技术的绝热装药一体化增材制造方法及打印装置和成形设备。

背景技术

随着导弹武器技术的发展，固体火箭发动机装药设计越来越复杂。传统装药工艺在复杂装药结构固体火箭发动机制造中存在的局限与不足主要在两点：第一，对于具有复杂内燃面结构的药柱，受芯模设计与脱除的限制，制造难度大；第二，绝热层与推进剂通过分步成形后装配方式完成装药，装配面靠衬层实现粘接，界面脱粘情况无法完全避免，存在重大安全隐患。

发明内容

针对现有技术在复杂装药结构制造中工艺适配性差的问题，本发明公开了一种基于光固化技术的绝热装药一体化增材制造方法及打印装置和成形设备，以解决复杂结构固体发动机制造工艺中装药制造适配性差问题，为固体发动机制造提供新的解决途径。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种基于光固化技术的绝热装药一体化增材制造方法，包括以下步骤：

1)对待加工的绝热装药一体化结构进行模型设计，将设计完成的绝热装药一体化结构转换成3D打印可识别的三维模型，然后进行分层切片处理，将适合进行单层成形的二维数据导出的STL格式文件导入3D打印成型机；

2)根据步骤1)模型设计的一体化结构药柱模型进行打印处理，每层成形均包括打印推进剂药柱和打印绝热层，其中：

打印推进剂药柱时，混合后的推进剂药浆直接输入至打印头后挤出；

打印绝热层时，采用多组分同步进料的方式，将固、液两相原材料放置于不同的储量装置中，通过控制固液两相进料比例，然后混合后挤出，构建得到梯度化结构的绝热层；

3)采用层层叠加的方式，重复步骤2)的打印处理直至完成待加工的绝热装药一体化结构的成形制造。

优选地，步骤2)中，在每一层面的打印中，首先打印内部药柱结构，药柱结构打印时，按照先外轮廓扫描，后填充的顺序，单层药柱成形完毕后，LED紫外固化灯开启，对药柱进行预固化定型。

优选地，打印绝热层时，通过控制固、液两相材料的进料比，完成绝热层内层、绝热层中间层及绝热层外层的打印，打印完毕后开启LED紫外固化灯，对整个截面进行固化。

绝热层打印喷头采用多组分同步进料的方式。初始时，固、液两相原材料分别放置于储料罐内，其中固相储料罐内为混有微量溶剂的耐烧蚀填料，如白炭黑、芳纶纤维等，液相出料罐内为绝热层基体粘合剂。挤出成形时，根据发动机不同径向位置绝热层组分设计要求，控制固液两相进料比例，在混合装置中完成混合、匀化，送至打印喷头处后实现物料打印。

进一步优选地，绝热层内层和绝热层外层均为高胶含量层，固相含量介于40％～60％之间；绝热层中间层为高固相填料层，固相含量大于60％。

进一步优选地，所用的LED紫外固化灯为非激光型，其固化波长为紫外波段，包括但不限于254nm、365nm、395nm等，固化灯为LED型或汞灯型。

优选地，针对推进剂药浆，其功能组分为：金属燃料、氧化剂、炸药等高能组分，其组分配比与现有的复合固体推进剂组分相一致，推进剂药浆固相含量范围为60-85wt％。针对绝热层药浆，其功能组分为耐烧蚀填料，包括但不局限与芳纶纤维、白炭黑等，其组分配比与现有的绝热层组分相一致，绝热层药浆固相含量范围为40-85wt％。

本发明还公开了一种实现上述的基于光固化技术的绝热装药一体化增材制造方法的打印装置，包括打印系统和供混料系统；

所述打印系统包括推进剂打印喷头和绝热层打印喷头；

所述供混料系统包括推进剂料筒、绝热层固相料筒和绝热层液相料筒；

所述推进剂料筒与推进剂打印喷头相连，绝热层固相料筒和绝热层液相料筒分别与绝热层打印喷头相连。

优选地，打印系统采用柱塞挤出式、气动挤出式或螺杆挤出式设备；所述供混料系统采用静态混合管式或动态螺杆混合式设备。

优选地，还包括安装于供混料系统和/或打印系统上的温控系统，用于实时监控供混料系统与打印系统内的温度。

本发明还公开了含有上述的基于光固化技术的绝热装药一体化增材制造方法的打印装置的成形设备，包括机架，以及设置在机架上且与所述打印喷头配合使用的成形平台、LED紫外固化灯和机械运动平台；

所述打印喷头安装在机械运动平台的一端，机械运动平台的另一端固定在机架上，机械运动平台为XYZ三维运动平台；

所述LED紫外固化灯设有若干个，对称布置在成形平台四周；

打印时，打印喷头在机械运动平台的带动下移动至成形平台的指定位置，定量挤出原材料，在LED紫外固化灯作用下完成光聚合反应。

优选地，XYZ三维运动平台包括但不局限于三轴直线模组式、龙门式、机械臂式三维运动平台等。

优选地，供混料系统工作原理包括但不局限于静态混合管式、动态螺杆混合式等混合方法。其供混料系统工作时，可由外场压力或螺杆转动驱动力提供物料输送动力。

优选地，所述的温控系统安装于供混料系统与打印系统处。温控系统采用油浴或水浴形式提供热源，通过热电偶实时监控供混料系统与打印系统内的温度。该温控系统的目的在于使得打印药浆保持恒定的温度，以免由于温度波动导致其流变性能产生变化，进而影响挤出打印效果。

优选地，由于该装置用于含能材料的加工，位于含能材料加工区域中的所有电气元件均满足防爆要求；所有位于含能材料加工区域中的机械元件均为密封结构，可阻止含能粉尘进入运动结构中；所有与含能材料直接接触的部件，其化学性质稳定，不与药浆发生反应。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明以复杂药型固体火箭发动机为对象，突破了以往绝热装药分步制造后装配的工艺，采用增材制造技术实现绝热装药的一体化制造，提升了复杂结构固体火箭发动机的加工柔性，简化了制造流程，提升了工艺安全性。本发明的具体创新点体现在两点：1.基于光固化技术，实现复杂药型推进剂药柱的增材制造；2.提出绝热装药一体化的制造方法，采用多组分同步进料的方式打印绝热层，其目的在于构建一种梯度化结构的绝热层。该种结构的绝热层具有与药柱及壳体接触面粘合剂含量高，使其具有良好的界面粘接性能，中间层耐烧蚀填料含量高，使其整体具有较好的耐烧蚀性能。因此本发明的工艺能够实现药柱与绝热层的同步制造，能够有效解决复杂结构推进剂药柱的成形问题，可以实现任意复杂结构的无模化成形；同时，本发明无需使用衬层来实现推进剂与绝热层的界面粘接，能够解决推进剂药柱与绝热层之间的粘接问题，采用3D打印的方式可以在单一层中实现绝热层与药柱之间的良好粘接，从而进一步提升了绝热层与药柱之间的粘接可靠性，可有效降低固体火箭发动机的消极质量，提升固体火箭发动机性能。

附图说明

图1为本发明的基于光固化技术的绝热装药一体化增材制造方法的打印装置结构示意图；

图2为本发明的挤出螺杆的结构示意图；

图3为本发明的基于光固化技术的绝热装药一体化增材制造方法的打印装置的成形设备结构示意图；

图4为本发明的梯度结构绝热层示意图。

其中：1-推进剂打印喷头；2-绝热层打印喷头；3-推进剂料筒；4-绝热层固相料筒；5-绝热层液相料筒；6-机架；7-成形平台；8-LED紫外固化灯；9-机械运动平台；10-打印系统；11-绝热层内层；12-绝热层中间层；13-绝热层外层；14-推进剂。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和图2，基于光固化技术的绝热装药一体化增材制造方法的打印装置，包括打印系统和供混料系统；

所述打印系统包括推进剂打印喷头1和绝热层打印喷头2；

所述供混料系统包括推进剂料筒3、绝热层固相料筒4和绝热层液相料筒5；

所述推进剂料筒3与推进剂打印喷头1相连，绝热层固相料筒4和绝热层液相料筒5分别与绝热层打印喷头2相连。

参见图3，基于光固化技术的绝热装药一体化增材制造方法的打印装置的成形设备，包括机架6，以及设置在机架6上且与所述打印喷头配合使用的成形平台7、LED紫外固化灯8和机械运动平台9；

所述打印喷头安装在机械运动平台9的一端，机械运动平台9的另一端固定在机架6上，机械运动平台9为XYZ三维运动平台；

所述LED紫外固化灯8设有两个或多个，对称布置在成形平台7两侧；

打印时，打印喷头在机械运动平台9的带动下移动至成形平台7的指定位置，定量挤出原材料，在LED紫外固化灯8作用下完成光聚合反应。

工作时，根据三维实体模型中二维片层材料分布情况，分别调用两种喷头在指定区域沉积液态物料。液态物料沉积过程中，通过光固化系统对其进行实时照射，使其固化定型，以此完成单层界面的成形，以此循环往复，直至实现最终零件的制造。

采用上述的基于光固化技术的绝热装药一体化增材制造方法的打印装置的成形设备进行打印的操作，具体实施流程如下：

1、打印前，对绝热装药一体化结构进行模型设计，确保一体化结构尺寸在打印机容许范围内，本实施例中的药柱模型为外径100mm，内切正多边形的高度为100mm的空心圆柱药柱，如图4中所示推进剂14。药柱外为三层结构的绝热层，其中，最外层的绝热层外层13与最内层的绝热层内层11均为高胶含量，固相含量介于40～60wt％之间，其内、外层使用高胶含量的目的在于：1)降低绝热层弹性模量，起到释放应力的作用；2)保持较优的粘接性能，可以与内层药柱与外层壳体形成良好的界面粘接。绝热层中间层12为高固相填料，固相含量60～85wt％，其目的在于：通过使用较高固相含量的耐烧蚀填料，提升绝热层的耐烧蚀性能。

2、将设计完成的绝热装药一体化结构转换成3D打印可识别的三维模型，然后进行分层切片处理，将导出的STL格式文件导入3D打印成型机，准备开始打印。

3、将物料缓慢加入送料装置。

4、设置各个温控装置的温度，开始加热保温。

5、打印机喷头开始工作，通过层层叠加的方式打印出设计形状的一体化结构药柱。其中在每一层面的打印中，首先打印内部药柱结构，药柱结构打印时，按照先外轮廓扫描，后填充的顺序，单层药柱成形完毕后，LED紫外固化灯开启，对药柱进行预固化定型。随后打印绝热层结构，通过控制固液两相材料的进料比，完成绝热层内层、中间层及外层的打印，打印完毕后开启LED紫外固化灯，对整个截面进行固化。以此往复，直至完成整体绝热装药结构的成形。

6、从打印平台上取下加工件，整理实验仪器，关闭各个阀门，断电。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于光固化技术的绝热装药一体化增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）针对待加工的绝热装药一体化结构进行模型设计，将设计完成的绝热装药一体化结构转换成3D打印可识别的三维模型，然后进行分层切片处理，将适合进行单层成形的二维数据导出的STL格式文件导入3D打印成型机；

2）根据步骤1）模型设计的一体化结构药柱模型进行打印处理，每层成形均包括打印推进剂药柱和打印绝热层，其中：

打印推进剂药柱时，混合后的推进剂药浆直接输入至打印头后挤出；

打印绝热层时，采用多组分同步进料的方式，将固、液两相原材料放置于不同的储量装置中，通过控制固液两相进料比例，然后混合后挤出，构建得到梯度化结构的绝热层；

3）采用层层叠加的方式，重复步骤2）的打印处理直至完成待加工的绝热装药一体化结构的成形制造；

其中，打印绝热层时，通过控制固、液两相材料的进料比，完成绝热层内层、绝热层中间层及绝热层外层的打印，打印完毕后开启LED紫外固化灯，对整个截面进行固化；

绝热层内层和绝热层外层均为高胶含量层，绝热层中间层为高固相填料层，推进剂的药浆固相含量为60wt%~85wt %，绝热层药浆的固相含量为40wt %~85wt %。

2.根据权利要求1所述的基于光固化技术的绝热装药一体化增材制造方法，其特征在于，步骤2）中，在每层的成形中，首先打印内部药柱结构，药柱结构打印时：按照先外轮廓扫描、后填充的顺序，单层药柱成形完毕后，LED紫外固化灯开启，对药柱进行预固化定型。

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