CN113211784B - 一种具有高隔音性能的制件及其基于3d打印的制备方法 - Google Patents

一种具有高隔音性能的制件及其基于3d打印的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有高隔音性能的制件及其基于3D打印的制备方法，本发明是基于FDM 3D打印，通过设计喷头结构和制备方法的选择来提升打印制件的隔音性能。所述喷头包括腔体、导气通路、分流块和连接棒；所述腔体包括腔体上部件和腔体下部件，所述腔体上部件为圆柱形结构，所述腔体下部件为圆台形结构，且所述圆台形结构中直径较大的一侧与腔体上部件的圆柱形结构连接；同时可通过调节打印制件的填充率及外部气体压力的大小实现制件中不同部位具有不同的隔音性能。相比于一般的隔音材料，本发明通过设备改造实现制件内部复杂孔洞结构的制造，大幅度提升其隔音性能。

Description

一种具有高隔音性能的制件及其基于3D打印的制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有高隔音性能的制件及其基于3D打印的制备方法，属于增材制造领域。
背景技术
当今社会，各种高速的交通工具、工业设备、建筑机械以及家用电器和音响设备等被广泛运用，导致我们的生活环境噪声污染日益严重。它不单会影响人们的正常工作、学习和生活，有害身心健康，而且还会影响一些精密仪器及设备的正常工作以及使用寿命，因此噪声污染是我们急需解决四大公害之一，对降噪技术和隔音材料有着迫切需求。
从物理学的角度讲，噪声是指物体做一系列没有周期性的、无规则的振动而产生的声音。而隔音的基本原理为声音在传播过程中遇到隔音屏障时，其中一部分声能被反射回去，一部分声能被屏障吸收，剩余部分声能则透过屏障。隔音材料大多属于高分子基复合材料，通过在树脂基体中填充大量的隔音填料以提高材料的隔音性能。
随着电子信息技术的成熟，3D打印也应运而生并大规模普及，开启了无模具制造的时代。《经济学人》杂志曾描述，以3D打印为代表的数字化制造技术将改写制造业的生产方式，进而改变产业链的运作模式。3D打印，又名增材制造(Additive Manufacturing,AM)出现于20世纪70年代。按照美国材料与试验协会国际标准组织F42增材制造技术委员会给出的定义：3D打印是根据3D模型数据，用材料的层层相连接来制造物体的工艺。其核心就是将所需成型制件的复杂3D实体通过切片处理转化为简单的2D截面的组合，依据制件的3D计算机辅助设计模型，在3D打印设备上直接成型实体制件。3D打印最大的特点是不用模具成型，因此可以省去开模费用，大大降低成本。
将3D打印用于具有隔音性能的异形件的开发是十分合适的，同时可利用3D打印的逐层制造的特点，通过材料设计和结构设计，达到制件不同部位的隔音性能可根据其要求进行调控的理想状态。但是，目前在3D打印领域中对打印制件在微观结构上进行设计还是相对较少，需要广大的科研人员去进行相关研究和探索，进一步拓宽其应用范围。
发明内容
为了改善现有技术的不足，本发明的一个目的是提供一种基于熔融沉积成型(FDM)3D打印制备具有高隔音性能制件的喷头；本发明的还一个目的是提供一种基于上述喷头制备具有高隔音性能制件的方法；本发明的再一个目的是提供一种采用上述喷头经上述方法得到的具有高隔音性能的制件。采用本发明的3D打印方法制备得到的制件，由于通过3D打印方法，在打印过程中的沉积线条形成多种不同类型的孔洞，使得制备得到的制件具有高隔音性能。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种基于FDM 3D打印的喷头，其中，所述喷头包括腔体、导气通路、分流块和连接棒；
所述腔体包括腔体上部件和腔体下部件，所述腔体上部件为圆柱形结构，所述腔体下部件为圆台形结构，且所述圆台形结构中直径较大的一侧与腔体上部件的圆柱形结构连接；
所述分流块设置在腔体内，所述分流块包括分流块上部件和分流块下部件，所述分流块上部件为圆锥形结构，所述分流块下部件为圆柱形结构；在所述分流块上部件和所述分流块下部件的连接处设置连接棒；在至少一个连接棒中设置导气通路；所述连接棒的另一端与腔体下部件连接，所述导气通路的另一端穿过腔体下部件与外界连通；
所述分流块内部为空心结构，且通过导气通路与外界连通；
所述腔体下部件的底端和所述分流块下部件的底端齐平，并形成喷口。
根据本发明，所述腔体的对称中心线和所述分流块的对称中心线重合。
根据本发明，所述腔体的总高度为15-35mm，例如为25mm。
根据本发明，所述腔体上部件的高度为10-20mm，例如为15mm。所述腔体上部件的直径为5-15mm，例如为10mm。
根据本发明，所述腔体下部件的高度为5-15mm，例如为10mm。所述腔体下部件的一侧的直径为5-15mm，例如为10mm，另一侧的直径为1-3mm，例如为1.5mm。
根据本发明，所述分流块设置在腔体下部件内。
根据本发明，所述分流块的高度为3-9mm，例如为6mm。
根据本发明，所述分流块上部件的高度为1-3mm，例如为2mm。
根据本发明，所述分流块下部件的高度为2-6mm，例如为4mm。
根据本发明，所述分流块下部件的直径为1-2mm，例如为1.3mm。
根据本发明，所述分流块内部的空心结构为圆柱形结构，所述圆柱形结构的直径为0.4-0.8mm，例如为0.6mm；所述圆柱形结构的高度为3.5-5mm。
根据本发明，所述连接棒的数量为3-5个，所述连接棒呈360°圆周均匀分布。
根据本发明，所述连接棒和导气通路为圆柱形结构。所述连接棒的直径为0.5-2mm，例如为1mm。所述导气通路的内径为0.3-0.8mm，例如为0.5mm。
根据本发明，所述导气通路的数量为小于等于连接棒的数量，例如为1-5个，如为1个。
根据本发明，所述导气通路穿出腔体的部分长度为5-15mm，例如为10mm。
根据本发明，所述喷头上方连接加热腔，供受热熔融的打印材料进入。
根据本发明，所述分流块上部件呈圆锥形，有利于减少熔体的下料阻力。
本发明还提供一种基于FDM 3D打印的高隔音性能制件的制备方法，所述方法包括通过螺杆挤出机制备出直径1.75mm的线材，利用上述喷头进行FDM 3D打印。
根据本发明，所述方法还包括在3D打印过程中，向导气通路中通入压力为0.5-3MPa的氩气或氮气。从导气通路中通入的气体进入上述喷头的分流块内部，待打印的线材从上述喷头的喷口处挤出，从导气通路中通入的气体被待打印的线材包裹住，形成包裹住气体的中空结构的熔融沉积的线条；同时从导气通路中通入的气体可使得从喷头出来的熔体降低挤出胀大效应。
根据本发明，所述螺杆挤出机选自单螺杆挤出机。
根据本发明，在3D打印过程中的打印参数为：打印温度100-120℃、平台温度30-50℃、打印速度2000-3000mm/min、填充率60-100％。例如为：打印温度110℃、平台温度40℃、打印速度2400mm/min、填充率60-100％。
根据本发明，制备所述线材的材料体系包括：60-90wt％乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)、1-3wt％交联剂和5-20wt％增粘树脂。
根据本发明，所述材料体系还可以包括填料，所述填料的添加量为0-34wt％；所述填料例如选自0-20wt％硫酸钡、0-20wt％中空玻璃微珠、0-20wt％云母粉。
根据本发明，所述乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中醋酸乙烯酯(VA)的含量为14-28％。
根据本发明，所述硫酸钡、中空玻璃微珠和云母粉的粒径为40-60μm，例如为50μm。
根据本发明，所述增粘树脂选自氢化萜烯树脂。所述增粘树脂加入的目的是使得打印制件力学性能更好。
根据本发明，所述交联剂选自过氧化苯甲酰(BPO)。
本发明中，发明人研究发现，当选用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物作为基体材料时，该共聚物中的VA含量越高，制备得到的材料体系以及制件的刚度越小，会引起共振，从而使得材料在劲度控制区的隔音效果降低。交联剂的加入可使EVA发生部分交联，从而进一步提升材料体系以及制件的强度和刚度。
本发明中，通过向材料体系中加入填料，特别是多种具有不同功能的填料可以显著提高材料的隔音性能，示例性地，在基体树脂EVA中加入硫酸钡可以提高材料的面密度，从而提升隔音性能。云母粉为片状隔音填料，其加入可使声波在材料内传播时，在填料界面处多次发生反射和折射，增大声波的传播路径，从而消耗更多的声能，提高材料的隔音性能。中空玻璃微珠为空心隔音填料，其腔内主要是一些稀薄的氮气和二氧化碳，里面近似于真空的状态，会阻碍声波的传播，同时声波在材料内传播遇到空心隔音填料时，会在填料表面发生反射，在其腔内也会发生多重反射，从而衰减声能，提高隔音性能。
本发明再提供一种具有高隔音性能的制件，其通过FDM 3D打印制备，所述制件包括下述三种类型的孔洞结构：
(1)FDM 3D打印过程造成的层与层之间的孔洞，截面呈三角形形状，尺寸为1-2mm；
(2)用于FDM 3D打印的线材的材料体系中的填料与树脂之间形成的孔洞，截面呈无规则形状，尺寸为0.01-0.5mm；
(3)FDM 3D打印中采用上述喷头，该喷头结构和气体通入造成的孔洞，尺寸为0.5-1mm。
本发明中，所述的制件的上述不同类型的孔洞结构是通过扫描电镜观察获得的。
根据本发明，所述制件是通过上述喷头利用上述制备方法得到。
本发明中，通过采用上述的喷头和上述的制备方法可有效提升打印制件的隔音性能。打印制件的隔音性能为：200Hz频率下4-7dB、500Hz频率下12-16dB、1000Hz频率下18-24dB、1400Hz频率下22-25dB。
此外，利用3D打印层层制造的特点，可通过调节填充率及外部气体压力的大小实现制件中不同部位具有不同的隔音性能。例如，填充率不变的情况下，外部通入气体的压力越大时，沉积线条内包裹的气体越多，制件的隔音性能越好；外部通入气体的压力不变的情况下，填充率越大时，制件的隔音性能越好。
本发明的有益效果为：
本发明提供了一种具有高隔音性能的制件及其基于3D打印的制备方法，本发明是基于FDM 3D打印，通过设计喷头结构和制备方法的选择来提升打印制件的隔音性能。同时可通过调节打印制件的填充率及外部气体压力的大小实现制件中不同部位具有不同的隔音性能。相比于一般的隔音材料，本发明通过设备改造实现制件内部复杂孔洞结构的制造，大幅度提升其隔音性能。
附图说明
图1为本发明一个优选方案所述的喷头的俯视图。
图2为本发明一个优选方案所述的喷头的A-A剖面图。
图3为本发明一个优选方案所述的喷头的主视图。
附图标记：1为腔体、2为导气通路、3为分流块、4为连接棒。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例中所使用的EVA购自杜邦中国有限公司，型号为220W，VA含量为28％；下述实施例中所使用的氢化萜烯树脂购自上海三连实业；下述实施例中所使用的硫酸钡购自深圳市三晶科泰科技有限公司；下述实施例中所使用的云母粉购自格锐矿业；下述实施例中所使用的中空玻璃微珠购自佰特研磨材料有限公司；下述实施例中所使用的BPO购自阿拉丁。
测试隔音性能的样品为直径100mm、厚度3mm的圆片，按照GB/Z27764-2011标准，采用4206-T型四传声器传递损失阻抗测试管测试。
下述实施例中所使用的喷头的结构如图1-图3所示，具体的，所述喷头包括腔体、导气通路、分流块和连接棒；
所述腔体包括腔体上部件和腔体下部件，所述腔体上部件为圆柱形结构，所述腔体下部件为圆台形结构，且所述圆台形结构中直径较大的一侧与腔体上部件的圆柱形结构连接；
所述分流块设置在腔体内，所述分流块包括分流块上部件和分流块下部件，所述分流块上部件为圆锥形结构，所述分流块下部件为圆柱形结构；
在所述分流块上部件和所述分流块下部件的连接处设置连接棒；在至少一个连接棒中设置导气通路；所述连接棒的另一端与腔体下部件连接，所述导气通路的另一端穿过腔体下部件与外界连通；
所述分流块内部为空心结构，且通过导气通路与外界连通；
所述腔体下部件的底端和所述分流块下部件的底端齐平，并形成喷口。
所述腔体的对称中心线和所述分流块的对称中心线重合。
所述腔体的总高度为25mm；所述腔体上部件的高度为15mm；所述腔体上部件的直径为10mm；所述腔体下部件的高度为10mm；所述腔体下部件的一侧的直径为10mm，另一侧的直径为1.5mm。
所述分流块设置在腔体下部件内，所述分流块的高度为6mm，所述分流块上部件的高度为2mm，所述分流块下部件的高度为4mm，所述分流块下部件的直径为1.3mm。所述分流块内部的空心结构为圆柱形结构，所述圆柱形结构的直径为0.6mm；所述圆柱形结构的高度为3.5-5mm。所述连接棒的数量为4个，所述连接棒呈360°圆周均匀分布。所述连接棒和导气通路为圆柱形结构。所述连接棒的直径为1mm。所述导气通路的内径为0.5mm。
所述导气通路的数量为1个。
所述导气通路穿出腔体的部分长度为10mm。
下述实例中采用的制备制件的方法具体包括：
为一种基于FDM 3D打印的高隔音性能制件的制备方法，所述方法先通过螺杆挤出机由所述材料体系制备出直径1.75mm的线材，然后利用上述喷头进行FDM 3D打印。
具体的，在所述FDM 3D打印过程中，向导气通路中通入压力为0.5-3MPa的氩气或氮气。从导气通路中通入的气体进入上述喷头的分流块内部，待打印的线材从上述喷头的喷口处挤出，从导气通路中通入的气体被待打印的线材包裹住，形成包裹住气体的中空结构的熔融沉积的线条；同时从导气通路中通入的气体可使得从喷头出来的熔体降低挤出胀大效应。
所述螺杆挤出机选自单螺杆挤出机。
在3D打印过程中的打印参数在下述范围内设定：打印温度100-120℃、平台温度30-50℃、打印速度2000-3000mm/min、填充率60-100％。
对比例1
材料体系组成：90wt％EVA、10wt％氢化萜烯树脂。
采用商业化的FDM 3D打印机打印，打印机购自海源三维，型号为130L。打印参数设置为：喷头出料口直径0.5mm、打印温度110℃、平台温度40℃、打印速度2400mm/min、填充率100％。
对比例2
材料体系组成：90wt％EVA、10wt％氢化萜烯树脂。
采用微型注塑机制备试样。注塑参数设置为：注塑温度100℃、模具温度40℃、注塑压力500bar。
实施例1
材料体系组成：90wt％EVA、10wt％氢化萜烯树脂。
采用安装了如图1-图3所示的喷头的FDM 3D打印机打印。打印参数设置为：向导气通路通入氮气，压力为0.5MPa，打印温度110℃、平台温度40℃、打印速度2400mm/min、填充率100％。
实施例2
材料体系组成：90wt％EVA、10wt％氢化萜烯树脂。
采用安装了如图1-图3所示的喷头的FDM 3D打印机打印。打印参数设置为：向导气通路通入氮气，压力为2.5MPa，打印温度110℃、平台温度40℃、打印速度2400mm/min、填充率100％。
实施例3
材料体系组成：90wt％EVA、8wt％氢化萜烯树脂、2wt％BPO。
采用安装了如图1-图3所示的喷头的FDM 3D打印机打印。打印参数设置为：向导气通路通入氮气，压力为0.5MPa，打印温度110℃、平台温度40℃、打印速度2400mm/min、填充率100％。
实施例4
材料体系组成：80wt％EVA、8wt％氢化萜烯树脂、2wt％BPO、10wt％硫酸钡。
采用安装了如图1-图3所示的喷头的FDM 3D打印机打印。打印参数设置为：向导气通路通入氮气，压力为0.5MPa，打印温度110℃、平台温度40℃、打印速度2400mm/min、填充率100％。
实施例5
材料体系组成：80wt％EVA、8wt％氢化萜烯树脂、2wt％BPO、10wt％云母粉。
采用安装了如图1-图3所示的喷头的FDM 3D打印机打印。打印参数设置为：向导气通路通入氮气，压力为0.5MPa，打印温度110℃、平台温度40℃、打印速度2400mm/min、填充率100％。
实施例6
材料体系组成：80wt％EVA、8wt％氢化萜烯树脂、2wt％BPO、10wt％中空玻璃微珠。
采用安装了如图1-图3所示的喷头的FDM 3D打印机打印。打印参数设置为：向导气通路通入氮气，压力为0.5MPa，打印温度110℃、平台温度40℃、打印速度2400mm/min、填充率100％。
实施例7
材料体系组成：60wt％EVA、8wt％氢化萜烯树脂、2wt％BPO、10wt％硫酸钡、10wt％中空玻璃微珠和10wt％云母粉。
采用安装了如图1-图3所示的喷头的FDM 3D打印机打印。打印参数设置为：向导气通路通入氮气，压力为0.5MPa，打印温度110℃、平台温度40℃、打印速度2400mm/min、填充率100％。
按照GB/Z27764-2011标准，采用4206-T型四传声器传递损失阻抗测试管测试制件的隔音量。结果如下表1所示：
表1对比例1-2和实施例1-7的样品的隔音量
Figure GDA0003391527830000101
从表1中可以看出，比较对比例1和对比例2，由于3D打印的制件的填充率为100％，相当于注塑的方法制备制件，因此对比例1和对比例2制备得到的制件的隔音性能相差不多；比较对比例1和实施例1，喷头的设计使得打印过程中样品具有中空结构的沉积线条，提升全频率下的隔音性能；比较实施例1和实施例2，增大外界气体的压力有助于提升样品在高频下的隔音性能；比较实施例1和实施例3，交联剂的加入有助于提升样品在低频下的隔音性能；比较实施例3和实施例4，硫酸钡的掺杂有助于提升样品在全频率下的隔音性能；比较实施例3和实施例5，云母粉的掺杂有助于提升样品在低频下的隔音性能；比较实施例3和实施例6，中空玻璃微珠的掺杂有助于提升样品在全频率下的隔音性能；比较实施例3和实施例7，通过掺杂不同作用原理的无机物可有效提升样品的隔音性能。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (25)

1.一种基于FDM 3D打印的喷头，其中，所述喷头包括腔体、导气通路、分流块和连接棒；
所述腔体包括腔体上部件和腔体下部件，所述腔体上部件为圆柱形结构，所述腔体下部件为圆台形结构，且所述圆台形结构中直径较大的一侧与腔体上部件的圆柱形结构连接；
所述分流块设置在腔体内，所述分流块包括分流块上部件和分流块下部件，所述分流块上部件为圆锥形结构，所述分流块下部件为圆柱形结构；在所述分流块上部件和所述分流块下部件的连接处设置连接棒；在至少一个连接棒中设置导气通路；所述连接棒的另一端与腔体下部件连接，所述导气通路的另一端穿过腔体下部件与外界连通；
所述分流块内部为空心结构，且通过导气通路与外界连通；
所述腔体下部件的底端和所述分流块下部件的底端齐平，并形成喷口。
2.根据权利要求1所述的喷头，其中，所述腔体的对称中心线和所述分流块的对称中心线重合。
3.根据权利要求1所述的喷头，其中，所述腔体的总高度为15-35mm。
4.根据权利要求1或3所述的喷头，其中，所述腔体上部件的高度为10-20mm，所述腔体上部件的直径为5-15mm。
5.根据权利要求1或3所述的喷头，其中，所述腔体下部件的高度为5-15mm，所述腔体下部件的一侧的直径为5-15mm，另一侧的直径为1-3mm。
6.根据权利要求1所述的喷头，其中，所述分流块设置在腔体下部件内。
7.根据权利要求1所述的喷头，其中，所述分流块的高度为3-9mm。
8.根据权利要求1或7所述的喷头，其中，所述分流块上部件的高度为1-3mm。
9.根据权利要求1或7所述的喷头，其中，所述分流块下部件的高度为2-6mm；所述分流块下部件的直径为1-2mm。
10.根据权利要求1所述的喷头，其中，所述分流块内部的空心结构为圆柱形结构，所述圆柱形结构的直径为0.4-0.8mm；所述圆柱形结构的高度为3.5-5mm。
11.根据权利要求1所述的喷头，其中，所述连接棒的数量为3-5个，所述连接棒呈360°圆周均匀分布。
12.根据权利要求1所述的喷头，其中，所述连接棒和导气通路为圆柱形结构。
13.根据权利要求12所述的喷头，其中，所述连接棒的直径为0.5-2mm，所述导气通路的内径为0.3-0.8mm。
14.根据权利要求1或11所述的喷头，其中，所述导气通路的数量为小于等于连接棒的数量。
15.根据权利要求1所述的喷头，其中，所述导气通路穿出腔体的部分长度为5-15mm。
16.一种基于FDM 3D打印的高隔音性能制件的制备方法，所述方法包括通过螺杆挤出机制备出直径1.75mm的线材，利用权利要求1-15任一项所述的喷头进行FDM 3D打印。
17.根据权利要求16所述的制备方法，其中，所述方法还包括在3D打印过程中，向导气通路中通入压力为0.5-3MPa的氩气或氮气。
18.根据权利要求16或17所述的制备方法，其中，在3D打印过程中的打印参数为：打印温度100-120℃、平台温度30-50℃、打印速度2000-3000mm/min、填充率60-100%。
19.根据权利要求16所述的制备方法，其中，制备所述线材的材料体系包括：60-90wt%乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、1-3wt%交联剂和5-20wt%增粘树脂。
20.根据权利要求19所述的制备方法，其中，所述材料体系还包括填料，所述填料的添加量为0-34wt%；所述填料选自0-20wt%硫酸钡、0-20wt%中空玻璃微珠、0-20wt%云母粉。
21.根据权利要求19所述的制备方法，其中，所述乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中醋酸乙烯酯的含量为14-28%。
22.根据权利要求19所述的制备方法，其中，所述增粘树脂选自氢化萜烯树脂。
23.根据权利要求19所述的制备方法，其中，所述交联剂选自过氧化苯甲酰。
24.一种FDM 3D打印的制件，其中，所述制件包括下述三种类型的孔洞结构：
（1）FDM 3D打印过程造成的层与层之间的孔洞，截面呈三角形形状，尺寸为1-2mm；
（2）用于FDM 3D打印的线材的材料体系中的填料与树脂之间形成的孔洞，截面呈无规则形状，尺寸为0.01-0.5mm；
（3）FDM 3D打印中采用权利要求1-15任一项所述的喷头，该喷头结构和气体通入造成的孔洞，尺寸为0.5-1mm。
25.根据权利要求24所述的制件，其中，所述制件是通过权利要求1-15任一项所述的喷头利用权利要求16-23任一项所述的制备方法得到的。
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