CN114131837A - 一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于软体材料制备技术领域，公开了一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法。本发明首先根据软体结构外部轮廓和内部轮廓分别设计外腔模具和内腔模板，利用3D打印技术分别制备非水溶性硬质外腔模具和水溶性内腔模板；然后将内腔模板和外腔模具组装后注入软体材料，抽取真空后进行固化；最后利用水浴和水泵清洗去除可溶性内腔模板，得到复杂软体结构。本发明的制备方法无需上下分模和胶水粘接，解决了由于粘接面造成的软体结构力学性能不稳定、耐久性差的问题，也无需高温和严苛的加工条件，在60～80℃即可固化成型，且使用的可溶性内腔模板为水溶性无污染材质，通过水浴溶解即可去除模板，是一种绿色环保的加工方法。

Description

一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法
技术领域
本发明涉及软体材料制备技术领域，尤其涉及一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法。
背景技术
软体材料往往具有吸附能力强，热稳定性好，化学性质稳定的优点，可以在多种工况下工作，它具有受拉，受压，抗扭转，抗剪切的力学特性。随着科技的发展，更衍生出了许多生物相容性材料，多应用于穿戴设备，医疗设备中。软体材料因为其较好的材料特性和适应性，已广泛运用于现实社会中。软体结构利用了软体材料可变形的特性，解放了传统结构设计自由度的约束，广泛涉及于各类行业应用中。然而，由于缺乏可重复的制造方法和在制造设计上的巨大差异，软体结构的主流应用受到了限制。目前软体结构的一些局限性包括难以设计复杂结构和再现内腔几何结构，以及复杂结构制造带来的力学性能不稳定的问题。
传统模式的消失模制造又可称之为失蜡法，是将与铸件尺寸形状相似的石蜡或泡沫模型粘结组合成模型组，埋在干石英砂中振动造型，在负压下浇注，再以高温使模型气化得到最终产品。然而，常见的软体材料无法耐受200℃以上高温，传统消失模铸造方法不适用于软体结构的制备。现阶段，针对软体结构的制造主要是通过模具分层浇注和软材料3D打印的方式，对于复杂结构，分层浇注往往需要将模型分开制造再结合，导致上下分层，结合处的新材料往往和软体材料不匹配，由于不是一体成型，在结合处必然存在力学性能不稳定的缺陷，不能适应更为苛刻的工况。软材料3D打印技术目前还处于发展阶段，材料性能目前在原理上与浇注材料存在差距，导致软体结构在韧性和弹性模量上无法满足需求。
因此，如何提供一种复杂软体结构一体成形的方法对于软体材料的应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法，解决现有技术的成形方法存在加工条件苛刻、需要高温，且制得的复杂软体结构力学性能不稳定的问题。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法，包括以下步骤：
(1)根据软体结构的外部轮廓和内部轮廓分别设计外腔模具和内腔模板，并制备外腔模具和内腔模板；
(2)将内腔模板和外腔模具组装，得到组合模具；
(3)将软体材料注入组合模具后抽取真空，再进行固化；
(4)将组合模具中包裹有内腔模板的软体材料依次利用水浴和水泵清洗，去除内腔模板，得到复杂软体结构；
其中，所述步骤(1)中外腔模具的材质为非水溶性，内腔模板的材质为水溶性。
优选的，在上述一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法中，所述步骤(1)中外腔模具的制备方法为选择性激光烧结或光固化成型。
优选的，在上述一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法中，所述步骤(1)中内腔模板的制备方法为熔融沉积成型。
优选的，在上述一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法中，所述熔融沉积成型的填充度为14～17％，填充形状为螺旋二十四面体。
优选的，在上述一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法中，所述步骤(2)中内腔模板置于外腔模具中，通过外腔模具的卡扣固定内腔模板。
优选的，在上述一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法中，所述步骤(3)中抽取真空的温度为22～26℃，抽取真空的时间为4～5h。
优选的，在上述一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法中，所述步骤(3)中固化的温度为70～80℃，固化的时间为7～9h。
优选的，在上述一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法中，所述步骤(4)中水浴的温度为60～80℃，水浴的时间为2～4h。
优选的，在上述一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法中，所述步骤(4)中水泵清洗的时间为1～3h。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的制备方法一体成形，无需上下分模和胶水粘接，解决了由于粘接面造成的软体结构力学性能不稳定、耐久性差的问题；而且，也无需高温和严苛的加工条件，在60～80℃即可固化成型。
(2)本发明使用的可溶性内腔模板为水溶性无污染材质，通过水浴溶解即可去除模板，是一种绿色环保的加工方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为实施例1的软体结构示意图；
图2为实施例1的非水溶性硬质外腔模具示意图；
图3为实施例1的包裹有可溶性内腔模板的软体结构示意图；
图4为实施例1的可溶性内腔模板的填充形状示意图；
其中，1-非水溶性硬质外腔模具，2-上模，3-下模，4-中心模，5-左右模，6-浇口，7-溶解通道，8-卡扣，9-软体结构，10-可溶性内腔模板，11-内部支撑体，12-外部定位固定体，13-螺旋二十四面体。
具体实施方式
本发明提供一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法，包括以下步骤：
(1)根据软体结构的外部轮廓和内部轮廓分别设计外腔模具和内腔模板，并制备外腔模具和内腔模板；
(2)将内腔模板和外腔模具组装，得到组合模具；
(3)将软体材料注入组合模具后抽取真空，再进行固化；
(4)将组合模具中包裹有内腔模板的软体材料依次利用水浴和水泵清洗，去除内腔模板，得到复杂软体结构。
在本发明中，步骤(1)中外腔模具的材质优选为非水溶性，进一步优选为尼龙。
在本发明中，步骤(1)中内腔模板的材质优选为水溶性，进一步优选为聚乙烯醇。聚乙烯醇外观是白色，遇水发生溶解反应，同时聚乙烯醇也是一种理想的FDM熔融沉积成型的材料，通过挤出料头加热，可以将聚乙烯醇线材熔融并逐层堆积，制造出具有复杂形状的产品。
在本发明中，步骤(1)中外腔模具的制备方法优选为选择性激光烧结或光固化成型，进一步优选为选择性激光烧结。
在本发明中，步骤(1)中内腔模板的制备方法优选为熔融沉积成型。
在本发明中，步骤(1)中熔融沉积成型的填充度优选为14～17％，进一步优选为14.2～16.8％，更优选为15％；填充形状优选为螺旋二十四面体。熔融沉积成型中填充度与填充形状是两个重要的性能参数，填充度越高软体结构内部越紧实，密封性越好，反之，填充度越低，内部越稀疏，密封性越差。利用熔融沉积成型可更改填充度与选择填充方式的特性，使用低填充度来增加内腔模板与水的接触面积；使用螺旋二十四面体的异形填充形状进行填充，既保证了足够的支撑强度也保证了各个方向上的贯通，增大水在可溶性内腔模板中的流动性。
在本发明中，步骤(2)中内腔模板置于外腔模具中，通过外腔模具的卡扣固定内腔模板。
在本发明中，步骤(3)中软体材料优选为聚二甲基硅氧烷。
在本发明中，步骤(3)中抽取真空的温度优选为22～26℃，进一步优选为23～25.5℃，更优选为24.5℃；抽取真空的时间优选为4～5h，进一步优选为4.2～4.9h，更优选为4.5h；抽取真空的真空度优选为不小于100kPa，进一步优选为不小于110kPa，更优选为不小于118kPa。抽取真空的时间过长会造成软体材料提前固化，时间过短会使软体材料存在气泡而影响浇注质量。
在本发明中，步骤(3)中固化的温度优选为70～80℃，进一步优选为71～78℃，更优选为76℃；固化的时间优选为7～9h，进一步优选为7.3～8.9h，更优选为8.4h。固化的作用是加速软体材料的结构成型，强化材料性能，若固化温度过高，会使软体材料以及内腔模板的结构发生改变；若固化温度过低，会延长固化时间，降低制造效率。
在本发明中，步骤(4)中水浴的温度优选为60～80℃，进一步优选为62～76℃，更优选为69℃；水浴的时间优选为2～4h，进一步优选为2.5～3.4h，更优选为3.2h。
在本发明中，步骤(4)中水泵清洗的时间优选为1～3h，进一步优选为1.4～2.7h，更优选为2.3h。
下面将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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法，以软体抓手为例，其结构示意图如图1所示，其制备方法包括以下步骤：
(1)根据图1所示的软体结构外部轮廓，设计非水溶性硬质外腔模具1，其结构示意图如图2所示，硬质外腔模具1分为上模2和下模3两部分，上模由中心模4和左右模5组成，中心模4处于中心位置，其中留有浇口6、溶解通道7和卡扣8；使用SLS选择性激光烧结技术制造硬质外腔模具1，选用的材料为惠普7500高性能尼龙；
根据图1所示的软体结构内部轮廓，设计可溶性内腔模板10，其结构示意图如图3～4所示，可溶性内腔模板10包括内部支撑体11和外部定位固定体12，内部支撑体11在溶解后形成软体结构9的内腔轮廓，外部定位固定体12与硬质外腔模具1的卡扣8相连接，对内部支撑体11进行定位与夹紧；使用FDM熔融沉积成型制造可溶性内腔模板10，选用的材料为聚乙烯醇(PVA)，填充度为15％，填充形状为螺旋二十四面体13；
(2)将可溶性内腔模板10安装在下模3上，内部支撑体11位于上模2和下模3之间，外部固定体12通过溶解通道7限位，并与卡扣8相连接，最后将中心模4与左右模5固定，得到组合模具；
(3)将软体材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)通过浇口6注入组合模具中，放入真空发生器，在23℃下连续抽真空4.2h；抽取真空结束后，置于烘箱中进行PDMS固化，固化的温度为80℃，时间为8h；
(4)固化完成后，取出中心模4和包裹有可溶性内腔模板10的PDMS，置于80℃的水浴中溶解3h，再于溶解通道7的顶部通以压力水泵，将水循环泵入可溶性内腔模板10中，冲洗2h，彻底去除可溶性内腔模板10，得到带有完整空腔的PDMS软体结构。
实施例2
本实施例提供一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法，具体参见实施例1，不同之处在于步骤(1)中非水溶性硬质外腔模具的制备方法为SLA光固化成型，选用的材料为巴斯夫ST45韧性树脂。
实施例3
本实施例提供一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法，具体参见实施例1，不同之处在于步骤(3)中固化的温度为73℃，固化的时间为9h。
实施例4
本实施例提供一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法，具体参见实施例1，不同之处在于步骤(3)中抽取真空的温度为26℃，时间为5h。
实施例5
本实施例提供一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法，具体参见实施例1，不同之处在于步骤(4)中水浴的温度为60℃，水浴的时间为2h，水泵冲洗的时间为2.5h。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据软体结构的外部轮廓和内部轮廓分别设计外腔模具和内腔模板，并制备外腔模具和内腔模板；
(2)将内腔模板和外腔模具组装，得到组合模具；
(3)将软体材料注入组合模具后抽取真空，再进行固化；
(4)将组合模具中包裹有内腔模板的软体材料依次利用水浴和水泵清洗，去除内腔模板，得到复杂软体结构；
其中，所述步骤(1)中外腔模具的材质为非水溶性，内腔模板的材质为水溶性。
2.根据权利要求1所述的一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法，其特征在于，所述步骤(1)中外腔模具的制备方法为选择性激光烧结或光固化成型。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法，其特征在于，所述步骤(1)中内腔模板的制备方法为熔融沉积成型。
4.根据权利要求3所述的一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法，其特征在于，所述熔融沉积成型的填充度为14～17％，填充形状为螺旋二十四面体。
5.根据权利要求4所述的一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法，其特征在于，所述步骤(2)中内腔模板置于外腔模具中，通过外腔模具的卡扣固定内腔模板。
6.根据权利要求4或5所述的一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法，其特征在于，所述步骤(3)中抽取真空的温度为22～26℃，抽取真空的时间为4～5h。
7.根据权利要求1、2或5所述的一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法，其特征在于，所述步骤(3)中固化的温度为70～80℃，固化的时间为7～9h。
8.根据权利要求7所述的一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法，其特征在于，所述步骤(4)中水浴的温度为60～80℃，水浴的时间为2～4h。
9.根据权利要求1、5或8所述的一种利用水溶性模板制备复杂软体结构的方法，其特征在于，所述步骤(4)中水泵清洗的时间为1～3h。
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