RU2812548C1 - Способ получения градиентного полимерного композита методом 3D-печати (варианты) и градиентный полимерный композит, полученный указанным способом - Google Patents
Способ получения градиентного полимерного композита методом 3D-печати (варианты) и градиентный полимерный композит, полученный указанным способом Download PDFInfo
- Publication number
- RU2812548C1 RU2812548C1 RU2023113424A RU2023113424A RU2812548C1 RU 2812548 C1 RU2812548 C1 RU 2812548C1 RU 2023113424 A RU2023113424 A RU 2023113424A RU 2023113424 A RU2023113424 A RU 2023113424A RU 2812548 C1 RU2812548 C1 RU 2812548C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- filler
- gradient
- organic polymer
- granules
- printing
- Prior art date
Links
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 title claims abstract description 84
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 61
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 53
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 45
- 238000007639 printing Methods 0.000 title claims description 15
- 239000000945 filler Substances 0.000 claims abstract description 150
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 94
- 229920000620 organic polymer Polymers 0.000 claims abstract description 81
- 239000008187 granular material Substances 0.000 claims abstract description 80
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 claims abstract description 78
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 62
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 claims abstract description 58
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 47
- -1 polyethylene Polymers 0.000 claims abstract description 46
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 46
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 claims abstract description 38
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 claims abstract description 38
- 239000004433 Thermoplastic polyurethane Substances 0.000 claims abstract description 33
- 229920002803 thermoplastic polyurethane Polymers 0.000 claims abstract description 33
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 23
- 239000004676 acrylonitrile butadiene styrene Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000004697 Polyetherimide Substances 0.000 claims abstract description 15
- XECAHXYUAAWDEL-UHFFFAOYSA-N acrylonitrile butadiene styrene Chemical compound C=CC=C.C=CC#N.C=CC1=CC=CC=C1 XECAHXYUAAWDEL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- 229920000122 acrylonitrile butadiene styrene Polymers 0.000 claims abstract description 15
- 229920001601 polyetherimide Polymers 0.000 claims abstract description 15
- 239000004696 Poly ether ether ketone Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 14
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 14
- 229920000747 poly(lactic acid) Polymers 0.000 claims abstract description 14
- 229920002530 polyetherether ketone Polymers 0.000 claims abstract description 14
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 claims abstract description 13
- 229920001610 polycaprolactone Polymers 0.000 claims abstract description 13
- 239000004632 polycaprolactone Substances 0.000 claims abstract description 13
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 claims abstract description 13
- 229920006324 polyoxymethylene Polymers 0.000 claims abstract description 13
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 claims abstract description 13
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 claims abstract description 13
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims abstract description 12
- 229920002492 poly(sulfone) Polymers 0.000 claims abstract description 12
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 claims abstract description 12
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 claims abstract description 12
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims abstract description 12
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 claims abstract description 11
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 claims abstract description 11
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims abstract description 11
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 claims abstract description 9
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000004734 Polyphenylene sulfide Substances 0.000 claims description 11
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 11
- 229920000069 polyphenylene sulfide Polymers 0.000 claims description 11
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 6
- 239000000654 additive Substances 0.000 abstract description 9
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 abstract description 9
- 239000002245 particle Substances 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 229920000265 Polyparaphenylene Polymers 0.000 abstract 1
- UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N Sulphide Chemical compound [S-2] UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 61
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 19
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 19
- 239000000047 product Substances 0.000 description 19
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 17
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 16
- 239000010425 asbestos Substances 0.000 description 14
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 14
- 229910052895 riebeckite Inorganic materials 0.000 description 14
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 13
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 13
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 13
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 12
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 11
- GUJOJGAPFQRJSV-UHFFFAOYSA-N dialuminum;dioxosilane;oxygen(2-);hydrate Chemical compound O.[O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3].O=[Si]=O.O=[Si]=O.O=[Si]=O.O=[Si]=O GUJOJGAPFQRJSV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 229910052901 montmorillonite Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 9
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 9
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 8
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 7
- CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N molybdenum disulfide Chemical compound S=[Mo]=S CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052982 molybdenum disulfide Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 7
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 7
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 6
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 6
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Inorganic materials O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 5
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L Calcium carbonate Chemical compound [Ca+2].[O-]C([O-])=O VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 4
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 4
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 4
- AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L hydroxy(oxo)manganese;manganese Chemical compound [Mn].O[Mn]=O.O[Mn]=O AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 4
- NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N kaolin Chemical compound O.O.O=[Al]O[Si](=O)O[Si](=O)O[Al]=O NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000012768 molten material Substances 0.000 description 4
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 3
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N Benzene Chemical compound C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 3
- XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N Ethyl acetate Chemical compound CCOC(C)=O XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 3
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 3
- 239000011231 conductive filler Substances 0.000 description 3
- 239000007822 coupling agent Substances 0.000 description 3
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 3
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 3
- 239000012766 organic filler Substances 0.000 description 3
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 3
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 3
- IXPNQXFRVYWDDI-UHFFFAOYSA-N 1-methyl-2,4-dioxo-1,3-diazinane-5-carboximidamide Chemical compound CN1CC(C(N)=N)C(=O)NC1=O IXPNQXFRVYWDDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000005995 Aluminium silicate Substances 0.000 description 2
- 241000555268 Dendroides Species 0.000 description 2
- LCGLNKUTAGEVQW-UHFFFAOYSA-N Dimethyl ether Chemical compound COC LCGLNKUTAGEVQW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000084 Gum arabic Polymers 0.000 description 2
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 description 2
- MXRIRQGCELJRSN-UHFFFAOYSA-N O.O.O.[Al] Chemical compound O.O.O.[Al] MXRIRQGCELJRSN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000978776 Senegalia senegal Species 0.000 description 2
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 2
- 239000003082 abrasive agent Substances 0.000 description 2
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 2
- 235000010489 acacia gum Nutrition 0.000 description 2
- 239000000205 acacia gum Substances 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 235000012211 aluminium silicate Nutrition 0.000 description 2
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 2
- 229910000019 calcium carbonate Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 235000013339 cereals Nutrition 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 235000013312 flour Nutrition 0.000 description 2
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 239000010440 gypsum Substances 0.000 description 2
- 229910052602 gypsum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011256 inorganic filler Substances 0.000 description 2
- 229910003475 inorganic filler Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 2
- ZLNQQNXFFQJAID-UHFFFAOYSA-L magnesium carbonate Chemical compound [Mg+2].[O-]C([O-])=O ZLNQQNXFFQJAID-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010445 mica Substances 0.000 description 2
- 229910052618 mica group Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001172 neodymium magnet Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 description 2
- 229920000553 poly(phenylenevinylene) Polymers 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 2
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 2
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 2
- 235000010413 sodium alginate Nutrition 0.000 description 2
- 239000000661 sodium alginate Substances 0.000 description 2
- 229940005550 sodium alginate Drugs 0.000 description 2
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 2
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 239000000454 talc Substances 0.000 description 2
- 229910052623 talc Inorganic materials 0.000 description 2
- 235000012222 talc Nutrition 0.000 description 2
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 2
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 2
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 2
- 239000010455 vermiculite Substances 0.000 description 2
- 229910052902 vermiculite Inorganic materials 0.000 description 2
- 235000019354 vermiculite Nutrition 0.000 description 2
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 2
- 241000273930 Brevoortia tyrannus Species 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021589 Copper(I) bromide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- JHWNWJKBPDFINM-UHFFFAOYSA-N Laurolactam Chemical compound O=C1CCCCCCCCCCCN1 JHWNWJKBPDFINM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000299 Nylon 12 Polymers 0.000 description 1
- 229920000491 Polyphenylsulfone Polymers 0.000 description 1
- 239000006087 Silane Coupling Agent Substances 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- FPCJKVGGYOAWIZ-UHFFFAOYSA-N butan-1-ol;titanium Chemical class [Ti].CCCCO.CCCCO.CCCCO.CCCCO FPCJKVGGYOAWIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 210000000078 claw Anatomy 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 description 1
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 238000005429 filling process Methods 0.000 description 1
- 238000009408 flooring Methods 0.000 description 1
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 1
- 238000001879 gelation Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007373 indentation Methods 0.000 description 1
- 229910003437 indium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N indium(iii) oxide Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[In+3].[In+3] PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- 238000010907 mechanical stirring Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- NQNBVCBUOCNRFZ-UHFFFAOYSA-N nickel ferrite Chemical compound [Ni]=O.O=[Fe]O[Fe]=O NQNBVCBUOCNRFZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229920001197 polyacetylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000767 polyaniline Polymers 0.000 description 1
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 description 1
- 229920000128 polypyrrole Polymers 0.000 description 1
- 229920000123 polythiophene Polymers 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 1
- SKRWFPLZQAAQSU-UHFFFAOYSA-N stibanylidynetin;hydrate Chemical compound O.[Sn].[Sb] SKRWFPLZQAAQSU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 229920002994 synthetic fiber Polymers 0.000 description 1
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Abstract
Группа изобретений относится к области аддитивного производства, в частности к вариантам производства градиентного полимерного композита методом 3D-печати и к градиентному полимерному композиту, полученному указанными способами. Один из вариантов способа осуществляют путем создания 3D-модель требуемой детали, проведения обработки 3D-модели требуемой детали, получения серии 2D-срезов – слоев 3D-печати. Далее вырабатывают требования к механическим, абразивным, фрикционным или антифрикционным и другим объемным и поверхностным свойствам детали, на основании этих требований выбирают органический полимер из ряда: акрилонитрил-бутадиенстирольный пластик, полилактид, полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиформальдегид, поликарбонат, выбирают не менее одного наполнителя, далее информацию о градиенте распределения наполнителя переводят в ряд 2D-данных состава материала в соответствии с требованиями градиента структуры детали. Причем дополнительно выбирают органический полимер из ряда: полифениленсульфид, полисульфон, полиимид, полиэфирэфиркетон, поликапролактон, термопластичный полиуретан, полиэфиримид, а наполнитель выбирают неорганический, органический или короткие волокна, или несколько наполнителей и определяют градиент распределения наполнителя, или наполнителей, по объему детали. После перевода информации о градиенте распределения наполнителя в ряд 2D-данных состава материала в соответствии с требованиями градиента структуры детали проводят предварительное смешение порошка наполнителя с выбранным органическим полимером, для этого в двухшнековом экструдере при температуре 190-410°С готовят концентрат – смесь с предельной концентрацией необходимого наполнителя в необходимом органическом полимере, при этом концентрацию наполнителя в органическом полимере выбирают в диапазоне от 5 до 65 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя. Далее загружают в бункеры печатающего 3D-устройства не менее одного вида полученного концентрата в виде гранул, а также при необходимости органический полимер в виде гранул без наполнителя. Затем для создания градиента распределения наполнителя гранулы не менее одного вида концентрата в необходимом соотношении между собой и при необходимости гранулы органического полимера подают из бункера в смеситель печатающего 3D-устройства в необходимом соотношении в пределах, мас.ч.: гранулы концентрата : гранулы органического полимера = от 0:100 до 100:0 в соответствии с настройками, смешивают и плавят путем нагрева до температуры 190-410°С, далее расплав продавливают в печатающую головку. Далее проводят построчную печать слоев и формирование требуемой детали методом плавления гранул FGF до полного формирования градиентного полимерного композита детали. Техническим результатом заявленной группы изобретений является расширение круга органических полимеров, расширение круга наполнителей по природе материалов и форме частиц, улучшение смешения наполнителей и органических полимеров и совмещение в готовой детали градиента двух и более наполнителей. 3 н.п. ф-лы, 2 ил., 60 пр.
Description
Изобретение относится к области аддитивного производства, в частности, к технологии производства градиентных материалов. Может найти применение в аэрокосмической, автомобильной, строительной, судостроительной и других отраслях промышленности. Градиентный материал представляет собой новый композиционный материал, образованный путем соединения двух и более материалов и имеющий непрерывно плавно меняющееся содержание компонентов. Градиентные материалы могут удовлетворять противоположным требованиям к материалу, таким как жесткость и эластичность, электропроводность и диэлектрические свойства, радиопоглощающие свойства без радиоотражения и др.
На дату представления заявочных материалов в исследованной заявителем области техники существуют следующая проблема: для 3D-печати градиентных материалов на основе термопластичных полимеров для большинства составов отсутствуют способы, позволяющие получать требуемое распределение компонентов в изделии.
Известен метод приготовления градиентного материала и детали по патенту CN1597194A «Метод приготовления градиентного материала и детали». Сущностью является метод приготовления функционально градиентного материала (ФГМ) отличается тем, что: - на компьютере создается трехмерная модель объекта детали; - согласно инструкции по использованию модели этой детали, выполняется градиент конструкции детали; - согласно требованиям к проектированию градиентной структуры и точности обработки детали, после того как по вышеупомянутой трехмерной модели выполнена обработка, информация трехмерных данных детали переводится в серию двухмерных данных поверхности; - данные каждой двухмерной поверхности представляют собой информацию о составе материала и соответствующий ряд двумерных иерархических данных каждого состава материала; - перевод в соответствующую программу ЧПУ вышеупомянутого ряда двумерной иерархической информации о каждом материале и систему управления ЧПУ таблицей числового ряда; - каждый материал, который будет соответственно лежать в форсунке отдельно, нагревается до расплавленного состояния и в соответствии с вышеупомянутой программой, определяющей положение наплавления, а также время начала и окончания наплавления, каждая форсунка выдавливает капли соответственно для каждого расплавленного материала, и выкладывает по указанному адресу на верстаке; - после того как выкладка одного слоя завершена, под контролем вышеупомянутой системы управления рабочий стол перемещается вниз на расстояние толщины слоя, под контролем программы для эквивалентного слоя, каждая форсунка выдавливает капли каждого расплавленного материала снова, и в соответствии с программой ЧПУ, определяющей положение наплавления для этого слоя, а также время начала и окончания наплавления, капли выдавливаются на вышеупомянутую профилированную поверхность до завершения этого слоя, и материал накапливается вновь, вплоть до завершения формирование всей детали из функционально градиентного материала (ФГM). Способ приготовления функционально градиентного материала (ФГМ) по п.1, отличающийся тем, что градиентная конструкция описываемой части предназначена для: - установления сервисного состояние детали; - выбора и формирования технологии изготовления синтетического материала; - выбора выражения функции распределения состава; - проведения аналитического расчета температуры и термических напряжений, поиск градиента состава и строения с минимумом термических напряжений. Метод подготовки функционально градиентного материала (ФГМ) отличается тем, что: - выполняется нарезка и обработка иерархической трехмерной структурной модели функционально градиентного материала (ФГМ) и перевод информации о материале в серию данных двухмерных поверхностей; - данные каждой двумерной поверхности представляют собой информацию о составе материала, и соответственно получается соответствующий ряд двумерной иерархической информации каждого состава материала; - перевод в соответствующую программу ЧПУ вышеупомянутый ряд двумерной иерархической информации о каждом материале и систему управления ЧПУ таблицей числового ряда; - каждый материал, который будет лежать соответственно в форсунке отдельно, нагревается до расплавленного состояния и в соответствии с вышеупомянутой соответствующей программой, определяющей положение наплавления, а также время начала и окончания наплавления, каждая форсунка выдавливает капли соответственно для каждого расплавленного материала, и выбрасывает по указанному адресу на верстаке; - после того как выкладка одного слоя завершено, под контролем вышеупомянутой системы управления рабочий стол перемещается вниз на расстояние толщины слоя, под контролем программы для эквивалентного слоя, каждая форсунка выдавливает капли каждого расплавленного материала снова, и в соответствии с программой ЧПУ, определяющей положение наплавления для этого слоя, а также время начала и окончания наплавления, капли выдавливаются на вышеупомянутую профилированную поверхность до завершения этого слоя, и материал накапливается вновь, вплоть до завершения формирование всей деталей из функционально градиентного материала (ФГM).
Недостатком известного технического решения является получение резких переходов между двумя полимерами или двумя металлами из-за использования форсунок для данных индивидуальных материалов.
Известны способ и устройство для изготовления функционально-градиентного структурного элемента по патенту CN104338931 «Способ и устройство для изготовления функционально-градиентного структурного элемента». Сущностью является метод изготовления функционально-градиентного структурного элемента, состоящий из следующих шагов: (1) построение трехмерной CAD-модели и получение информации о каждой поверхности обработанного слоя настила с помощью процесса Slice Software; (2) порошок одного материала, который формирует изделие, и вспомогательный порошок который необходимо добавить, определяется в соответствии с текущим поперечным сечением спекания; (3) информация в соответствии с каждой поверхностью обработанного слоя настила выполняет лазерное сканирование спекания в соответствующем положении основного и вспомогательного порошка; (4) шаг 2 и шаг 3 повторяются до тех пор, пока не сформируется изделие.
Недостатком известного технического решения является его применимость лишь для лазерного спекания разнородных металлических или керамических порошков.
Известен метод изготовления полимерного изолятора с градиентом проводимости на основе 3D-печати по патенту CN105321635A «3D-метод изготовления полимерного изолятора с градиентом проводимости на основе печати». Сущностью является метод изготовления полимерного изолятора с градиентом проводимости на основе 3D-печати, отличающийся тем, что включает следующие шаги: (1) построение трехмерной модели САПР с геометрией изолятора и пространственным распределением проводимости, модель делится на stl-файл модели генерации нескольких геометрических единиц, использует stl-файл Slice Software для преобразования в производственные данные оборудования 3D печати; (2) с использованием метода конечных элементов трехмерное распределение электрического поля внутри и на поверхности изолятора в соответствии с требованиями к электрическим характеристикам фактической изоляции позволяет получить пространственное распределение проводимости изолятора; (3) 3D печать полимерного материала с низкой проводимостью и полимерного материал с высокой электропроводностью для изготовления изолятора с градиентом проводимости; (4) в соответствии с пространственным распределением проводимости на шаге 2 определяется пропорция двух материалов и пространственное распределение в изоляторе; (5) производственные данные на шаге 1 доставляются в 3D печатающее устройство, и согласно 3D распределению пропорций смешения, определенных на шаге 3, которое контролирует 3D печать, устройство формирует отпечатки изолятора с градиентом проводимости; (6) изолятор, полученный на шаге 5, подвергается повторной обработке, метод обработки - повторное гелеобразование или механическая обработка. Метод изготовления полимерного изолятора с градиентом проводимости, напечатанного на основе 3D печати по п.1, отличающийся тем, что описываемый полимерный материал с низкой электропроводностью имеет электропроводность 10-16 ~ 10-8 См/м и применим для 3D печати. Метод изготовления полимерного изолятора с градиентом проводимости, напечатанного на основе 3D печати по п.1, отличающийся тем, что описанный полимерный материал с низкой электропроводностью представляет собой фоточувствительную смолу, PLA, сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола, поликарбонат, PPSU или нейлон. Метод изготовления полимерного изолятора с градиентом проводимости, напечатанного на основе 3D печати по п.1, отличающийся тем, что способ получения высокопроводящего полимерного материала заключается в следующем: высокопроводящим наполнителем с массовым соотношением, определенным по отношению к матричному полимеру, наполняют низкопроводящий полимерный материал, получают полимерный материал с высокой проводимостью, электропроводность 10-6 ~ 102 См/м; описанный наполнитель с высокой электропроводностью представляет собой: наполнитель металлической системы, наполнитель оксидной системы, неорганический неметаллический наполнитель, углеродный проводящий наполнитель или проводящие полимерные наполнители. Метод изготовления полимерного изолятора с градиентом проводимости, напечатанного на основе 3D печати по п.4, отличающийся тем, что наполнитель металлической системы представляет собой одно или несколько соединений золота, серебра, меди, никеля, сплава никеля, алюминия, магния, форма наполнителя представляет собой порошкообразную, чешуйчатую или нитевидную форму, а количество наполнителя ниже 10%. Метод изготовления полимерного изолятора с градиентом проводимости, напечатанного на основе 3D печати по п. 4, отличающийся тем, что наполнитель оксидной системы представляет собой одно или несколько соединений на основе оксида цинка, диоксида кремния, оксида алюминия, диоксида титана, оксида олова, легированного сурьмой оксида олова, легированного оловом оксида индия, наполнитель имеет порошкообразную или кристаллическую форму вискеров, а количество наполнения составляет 5 ~ 75%; Наполнитель оксидной системы подвергают обработке поверхности перед заполнением, а методы обработки - это термообработка или обработка связующим веществом, а технологический связующий агент - силановый связующий агент, связующий агент класса бутилтитаната или связующий агент соединений алюминиевой кислоты. Метод изготовления полимерного изолятора с градиентом проводимости, напечатанного на основе 3D печати по п.4, отличающийся тем, что описанный неорганический неметаллический наполнитель представляет собой одно или несколько соединений карборунда, GaAs, CuBr, форма наполнителя представляет собой порошкообразную, пластинчатую или нитевидную форму, а количество наполнения составляет 5~75%; Описанный углеродный проводящий наполнитель представляет собой одно или несколько соединений в виде сажи, графита, углеродного волокна, углеродных нанотрубок, графена, а форма наполнителя представляет собой порошок, пластинки или нитевидную форму, а количество наполнения составляет 5 ~ 75%. Метод изготовления полимерного изолятора с градиентом проводимости, напечатанного на основе 3D печати по п.4, отличающийся тем, что описанные проводящие полимерные наполнители находятся в легированном состоянии в бензоле одномо или несколько соединений: полиацетилен, полипиррол, полианилин, политиофен, полифениленвинилен (ППВ), по форме наполнитель представляет собой порошок, количество наполнения составляет 5 ~ 75%, а процесс наполнения осуществляется смешиванием под давлением, перемешиванием или шнековой экструзией.
Недостатком известного технического решения является плохое распределение наполнителя в полимерной матрице и ограниченная область применения градиентного материала.
Известна разновидность функционально градиентного материала (FGM), поглощающего электромагнитное излучение и способ его изготовления на основе технологии 3D-печати по патенту CN108640673A «Волнопоглощающий градиентный материал на основе технологии 3D (трехмерной) печати и способ его изготовления». Сущностью является метод подготовки поглощающего электромагнитное излучение функционально градиентного материала (FGM) на основе 3D печати, отличающийся тем, что включает следующие шаги: (1) наноабсорбент смешивается с полимерами в диспергаторе и получается суспензия; (2) суспензия, полученная на этапе (1), высушивается, получается порошок; (3) Порошок, полученный на этапе (2), измельчают, укладывают слоями и проводят агломерацию методом 3D печати с получением материала с градиентным поглощением электромагнитного излучения. Способ приготовления по п.1, отличающийся тем, что на этапе (1) наноабсорбент : полимер: диспергатор в весовом соотношении составляют (1-5):(6-8):(2-9): на стадии (1) диспергатор включает одно или несколько жидкостей из воды, этилового спирта, ацетона, диметилового эфира, этилацетата; на стадии (1) полимер представляет собой акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС), полиэфир-эфир-кетон, полиэфиримид, нейлон 12 В, один или несколько; на стадии (1), наноабсорбент представляет собой смесь порошка с диэлектрическими потерями и порошка с магнитными потерями. Способ приготовления по п.1, отличающийся тем, что порошок с диэлектрическими потерями включает диоксид циркония, диоксид титана, оксид цинка, оксид олова, оксид марганца, оксид алюминия; порошок с магнитными потерями может быть поликристаллическим железом, ферритом, карбонильным железом, металлическим порошком, азотированным железом, одним или несколькими; форма порошка с диэлектрическими потерями и порошка с магнитными потерями - стержневидная, сферическая, волокнистая, звездообразная, дендроидная, одна или несколько форм. Способ приготовления по п.1, отличающийся тем, что: на этапе (1) размер зерна абсорбента составляет 1-100 нм; на стадии (1), процесс растворения проводят при температуре 100-150°С, затем используют механическое перемешивание и охлаждение, предпочтительно, чтобы скорость перемешивания составляла 100-500 об/мин; на этапе (2), осадок сначала фильтруют через фильтровальную бумагу до порошкообразной суспензии, после чего его сушат в сушильном шкафу, снова изготавливают порошок; на стадии (2) температура сушки составляет 80-190°С, время 1-10 ч, предпочтительно, чтобы сушка проходила в вакууме. Способ подготовки по п.1, отличающийся тем, что: на этапе (3) измельчение проводится в планетарной шаровой мельнице, шар изготовлен из абразивного материала - циркония, а время измельчения 2-10 ч, скорость вращения планетарной шаровой мельницы составляет 100-360 об/мин, а количество шариков абразивного материала составляет 1/3-2/3 из общего количества порошка. Способ подготовки по п.1, отличающийся тем, что: на этапе (3) агломерация осуществляется с использованием системы лазерного спекания с технологическими параметрами: скорость развертки 1000-4000 мм/с, размах развертки 0,01- 0,5 мм, мощность лазера 10-80 Вт, плотность энергии лазера 0,05-0,15 Дж/мм2, толщина в монослое 0,02-0,2 мм. Поглощающий электромагнитное излучение функционально градиентный материал (FGM), характеризуется тем, что в структуре слоев материала магнитная и диэлектрическая проницаемости постепенно уменьшаются по толщине, достигая минимума в последнем слое, контактирующем с воздухом, за счет уменьшения количества нано-абсорбента, диспергированном в полимере, от внутренней части к поверхности. Поглощающий электромагнитное излучение функционально градиентный материал (FGM) по п. 7, отличающийся тем, что весовое соотношение наноабсорбента к полимеру в дисперсии составляет (1-5):(6-8); размер зерна абсорбента составляет 1-100 нм; нано-абсорбент представляет собой смесь порошка с диэлектрическими потерями и порошка с магнитными потерями. Поглощающий электромагнитное излучение функционально градиентный материал (FGM) по п. 8, отличающийся тем, что полимер представляет собой акрилонитрил-бутадиен-стирольный пластик, два или несколько из числа полиолефинов, полиэфир-эфир-кетон, полиэфиримид, нейлон12; порошок с диэлектрическими потерями включает диоксид циркония, диоксид титана, оксид цинка, оксид олова, оксид марганца, оксид алюминия, один или несколько; порошок с магнитными потерями может быть поликристаллическим железом, ферритом, карбонильным железом, металлическим порошком, азотированным железом, одним или несколькими; предпочтительно форма порошка с диэлектрическими потерями и порошка с магнитными потерями должна быть стержневидной, сферической, волокнистой, звездообразной, дендроидной, одной или более неправильных форм. Поглощающий электромагнитное излучение функционально градиентный материал (FGM) по п.7-9 для применения в электронике и электротехнике.
Недостатком известного технического решения является сложность процесса получения и ограниченная область применения получаемого градиентного материала.
Известны 3D-печатные изделия обуви с градиентами свойств по патенту US20190037961A1 «Напечатанные 3D-печатью изделия обуви со свойствами градиентов». Сущностью является напечатанное на 3D-принтере изделие, имеющее градиент свойств между первой частью и второй частью, причем изделие, напечатанное на 3D-принтере, представляет собой единый интегрированный материал, и в котором свойство выбрано из группы, состоящей из средней жесткости, средней твердости по Шору А , средней твердости по Шору D, средней твердости по Аскеру C, среднего размера пор, средней плотности, цвета, средней шероховатости поверхности, средней отражательной способности, средней прочности, среднего удлинения при разрыве, среднего модуля упругости при растяжении и среднего модуля при 100% деформации. Изделие, напечатанное на 3D-принтере, для использования в обуви, содержащее: 3D-печатное изделие, имеющее градиент свойств между первой частью и второй частью, при этом 3D-печатное изделие представляет собой единый интегрированный материал, а свойство является механическим свойством. Изделие, напечатанное на 3D-принтере, для использования в обуви, содержащее: 3D-печатное изделие, имеющее градиент свойства между первой частью и второй частью, при этом 3D-печатное изделие представляет собой единый интегрированный материал, а свойство является оптическим свойством. Изделие, напечатанное на 3D-принтере для использования в обуви, например, в пункте 1, где свойство представляет собой средний размер пор. Изделие, напечатанное на 3D-принтере для использования в обуви, например, в пункте 1, где свойством является средняя жесткость. Изделие, напечатанное на 3D-принтере для использования в обуви, например, в пункте 1, где свойство представляет собой среднюю твердость по Шору А. Изделие, напечатанное на 3D-принтере для использования в обуви, например, в пункте 1, при этом свойством является средняя твердость при микровдавливании. Изделие, напечатанное на 3D-принтере для использования в обуви, например, в пункте 1, где свойством является средняя плотность. Изделие, напечатанное на 3D-принтере для использования в обуви, например, в пункте 1, при этом первая часть расположена над второй частью. Изделие, напечатанное на 3D-принтере для использования в обуви, например, в пункте 1, при этом первая часть расположена рядом со второй частью. Изделие, напечатанное на 3D-принтере для использования в обуви, например, в пункте 1, при этом первая часть и вторая часть являются непосредственно смежными. Изделие, напечатанное на 3D-принтере для использования в обуви, например, в пункте 1, при этом первая часть расположена ближе к датчику, чем вторая часть. Изделие, напечатанное на 3D-принтере, для использования в обуви, как и в любом пункте 1, при этом изделие, напечатанное на 3D-принтере, является компонентом одного или нескольких из следующих компонентов: подошва, верх, промежуточная подошва, стелька, носок, проушина, задник, логотип, четверть панели, а также функция наложения без шитья. Изделие обуви, содержащее напечатанное на 3D-принтере изделие для использования в обуви в пункте 1. Изделие, напечатанное на 3D-принтере для использования в обуви, например, в пункте 1, при этом напечатанное на 3D-принтере изделие содержит пену. Изделие, напечатанное на 3D-принтере для использования в обуви, например, в пункте 1, при этом первая часть расположена над второй частью, и при этом первая часть имеет более низкую среднюю плотность, чем вторая часть. Изделие, напечатанное на 3D-принтере для использования в обуви, например, в пункте 1, при этом напечатанное на 3D-принтере изделие содержит эластомер. Изделие, напечатанное на 3D-принтере для использования в обуви, например, в пункте 1, при этом градиент присутствует на расстоянии большем или равном 2 мм. Изделие, напечатанное на 3D-принтере для использования в обуви, например, в пункте 1, при этом свойство плавно изменяется по всему напечатанному на 3D-принтере изделию.
Недостатком известного технического решения является специальная конструкция 3D-принтера и узкая область применения напечатанного изделия.
Известно изобретение «Метод изготовления поперечного равномерного перехода для градиентного материала аддитивного производства» по патенту CN112676681, сущностью является метод поперечного равномерного перехода для градиентного материала аддитивного производства характеризуется тем, что при укладке каждого слоя сумма различных скоростей добавления материала в любой момент времени постоянна, так что объем материала, добавляемого в единицу времени, постоянен. Способ по п.1, отличающийся тем, что точное управление ускорением добавления сырья выбирают для достижения стабильного значения количества сырья, а изменение скорости добавления точно контролируют, так что можно реализовать изменение градиента концентрации компонентов в один слой. Способ изготовления градиентного материала, изготовленного аддитивным способом, в режиме поперечного равномерного перехода по п.1 или 2, в котором начальная скорость добавления первого материала А равна v1 в начальной точке перемещения источника тепла и имеет ускорение a, после того как источник тепла начинает двигаться, скорость добавления первого материала А начинает непрерывно и равномерно ускоряться до конечной точки перемещения источника тепла и достигает v2; начальная скорость добавления второго материала B равна v2, ускорение равно -a, после того как источник тепла начинает двигаться, скорость добавления второго материала B начинает непрерывно и равномерно замедляться до тех пор, пока источник тепла не переместится в конечную точку, а скорость снижается до v1, так что сумма скоростей добавления двух материалов в любой момент времени постоянна. Способ изготовления градиентного материала аддитивного производства с поперечным однородным переходом по п.1 или 2, отличающийся тем, что продольную высоту регулируют, регулируя количество уложенных друг на друга слоев. Способ по п.3, отличающийся тем, что продольную высоту регулируют, регулируя количество нанесенных слоев. Способ изготовления градиентного материала аддитивного производства с поперечным равномерным переходом по п.1 или 2, отличающийся тем, что, когда размер компонента ограничен, поперечную ширину регулируют путем изменения скорости изменения, контролируя величину ускорение а. Способ изготовления градиентного материала аддитивного производства с поперечным равномерным переходом по п.1 или 2, отличающийся тем, что при ограничении размера компонента поперечную ширину регулируют путем изменения скорости изменения, контролируя величину ускорение а. Способ изготовления градиентного материала аддитивного производства в режиме поперечного равномерного перехода по п.1 или 2, в котором соотношение состава материала начального положения и конечного положения двух сторон материала регулируется путем управления начальная скорость добавления материала, чтобы соответствовать соотношению состава материала с фактическими техническими требованиями на двух концах компонента.
Недостатком известного технического решения является:
- использованы проволоки металлов, не показана возможность применимости для пластмасс,
- неравномерность смешения компонентов в слое из-за использования для создания градиента концентрации исходных несмешанных компонентов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату, выбранное заявителем в качестве прототипа, является изобретение «Способ подготовки к 3D-печати полимерного градиентного материала» по патенту CN104552951A. Сущностью является способ приготовления полимерных градиентных материалов к 3D печати, отличается тем, что он состоит из следующих шагов: - подготовка сырья и его размещение: компонент неорганического вещества после предварительного измельчения до диаметра частиц размером 0,1 ~ 10 мкм помещают в устройство подачи; органическую смолу помещают в другой загрузочный цилиндр с устройством подачи; - с помощью микрокомпьютерного моделирования и трехмерной модели изделия создается «субрегион», толщина которого составляет поперечное сечение 20 ~ 100 мкм, т.е. разрезается на слои, таким образом, чтобы принтер последовательно печатал изделие; - дозирование рассчитывается в соответствии с требованиями дизайна композиции полимерного градиентного материала и вычислений градиента расположения структурных элементов и пропорций неорганического материала и органического полимера, при управлении печатью как переменный входной параметр компьютера используется коэффициент подачи порошка в различном местоположении; - заданные параметры печати: установочная скорость печати 0,05 ~ 0,5 м/с, разрешение печати 20 ~ 100 мкм, скорость подачи порошка 0,02 ~ 5 мм3/с; - выполнение 3D печати: устройство подачи входит в печатающую головку в соответствии с настройками пропорциональной подачи, нагревает головку термопринтера до 170 ~ 300°C, плавит полимер и смешивает с частицами неорганического материала; подвижная смесь печатается по набору дорожек со скоростью по печатающей головке; сначала печатная форма формирует поверхность построчно, далее последовательно формирует печатную форму трехмерного полимера, основанный на градиенте материала. Способ получения полимерного градиентного материал методом 3D печати по п.1, отличающийся тем, что описанный компонент неорганического вещества представляет собой ZrO2, SiC, сажу, CaCO3, SiO2, Al2О3, порошок железа, порошок никеля, феррит, редкоземельный постоянный магнит. Способ получения полимерного градиентного материала методом 3D печати по п.1, отличающийся тем, что описанный органический полимер представляет собой АБС, полилактид, полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиформальдегид, поликарбонат.
Недостатком прототипа по отношению к составу является:
- ограниченный круг полимеров;
- ограниченный круг наполнителей по природе материала и форме частиц.
Недостатком прототипа по отношению к способу является:
- плохое смешение наполнителей и полимеров;
- неприменимость совмещения в изделии градиента двух и более наполнителей.
Техническим результатом заявленного технического решения является разработка градиентного полимерного композита (далее - заявленного композита), и способа его получения методом 3D-печати (варианты), позволяющего достигнуть:
- расширения круга органических полимеров;
- расширения круга наполнителей по природе материалов и форме частиц;
- улучшения смешения наполнителей и органических полимеров;
- совмещения в готовой детали градиента двух и более наполнителей.
Завявленный технический результат обеспечивается за счет предварительного смешения компонентов в двухшнековом экструдере, что отсутствует у прототипа.
Сущностью заявленного технического решения является способ получения градиентного полимерного композита методом 3D-печати, заключающийся в том, что создают 3D-модель требуемой детали, проводят обработку 3D-модели требуемой детали, получают серию 2D-срезов - слоев 3D-печати, далее вырабатывают требования к механическим, абразивным, фрикционным или антифрикционным и другим объемным и поверхностным свойствам детали, на основании этих требований выбирают органический полимер из ряда: акрилонитрил-бутадиенстирольный пластик, полилактид, полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиформальдегид, поликарбонат, выбирают не менее одного наполнителя, далее информацию о градиенте распределения наполнителя переводят в ряд 2D-данных состава материала в соответствии с требованиями градиента структуры детали, отличающийся тем, что дополнительно выбирают органический полимер из ряда: полифениленсульфид, полисульфон, полиимид, полиэфирэфиркетон, поликапролактон, термопластичный полиуретан, полиэфиримид; а наполнитель выбирают неорганический, органический или короткие волокна, или несколько наполнителей и определяют градиент распределения наполнителя, или наполнителей, по объему детали; после перевода информации о градиенте распределения наполнителя в ряд 2D-данных состава материала в соответствии с требованиями градиента структуры детали проводят предварительное смешение порошка наполнителя с выбранным органическим полимером, для этого в двухшнековом экструдере при температуре 190-410°С готовят концентрат - смесь с предельной концентрацией необходимого наполнителя в необходимом органическом полимере, при этом концентрацию наполнителя в органическом полимере выбирают в диапазоне от 5 до 65 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя; далее загружают в бункеры печатающего 3D-устройства не менее одного вида полученного концентрата в виде гранул, а также при необходимости органический полимер в виде гранул без наполнителя; далее для создания градиента распределения наполнителя гранулы не менее одного вида концентрата в необходимом соотношении между собой и при необходимости гранулы органического полимера подают из бункера в смеситель печатающего 3D-устройства в необходимом соотношении в пределах, мас.ч.: гранулы концентрата : гранулы органического полимера = от 0 : 100 до 100 : 0 в соответствии с настройками, смешивают и плавят путем нагрева до температуры 190-410°С, далее расплав продавливают в печатающую головку; далее проводят построчную печать слоев и формирование требуемой детали методом плавления гранул FGF до полного формирования градиентного полимерного композита детали. Способ получения градиентного полимерного композита методом 3D-печати, заключающийся в том, что создают 3D-модель требуемой детали, проводят обработку 3D-модели требуемой детали, получают серию 2D-срезов - слоев 3D-печати, далее вырабатывают требования к механическим, абразивным, фрикционным или антифрикционным и другим объемным и поверхностным свойствам детали, на основании этих требований выбирают органический полимер из ряда: акрилонитрил-бутадиенстирольный пластик, полилактид, полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиформальдегид, поликарбонат, выбирают не менее одного наполнителя, далее информацию о градиенте распределения наполнителя переводят в ряд 2D-данных состава материала в соответствии с требованиями градиента структуры детали, отличающийся тем, что дополнительно выбирают органический полимер из ряда: полифениленсульфид, полисульфон, полиимид, полиэфирэфиркетон, поликапролактон, термопластичный полиуретан, полиэфиримид; а наполнитель выбирают неорганический, органический или короткие волокна, или несколько наполнителей и определяют градиент распределения наполнителя, или наполнителей, по объему детали; после перевода информации о градиенте распределения наполнителя в ряд 2D-данных состава материала в соответствии с требованиями градиента структуры детали проводят предварительное смешение порошка наполнителя с выбранным органическим полимером, для этого в двухшнековом экструдере при температуре 190-410°С готовят концентрат - смесь с предельной концентрацией необходимого наполнителя в необходимом органическом полимере, при этом концентрацию наполнителя в органическом полимере выбирают в диапазоне от 5 до 65 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя; далее на одношнековом экструдере формируют при температуре 190-410 °С нити требуемого состава, диаметра и длины из гранул не менее одного вида концентрата в необходимом соотношении между собой в зависимости от требования, предъявляемого к готовой детали, и при необходимости из гранул органического полимера, в необходимом соотношении, мас.ч.: гранулы концентрата : гранулы органического полимера = от 0 : 100 до 100 : 0 в соответствии с настройками; далее участки нитей соответствующего состава и длины соединяют в общую нить их сваркой; проводят построчную печать слоев методом наплавления расплавленных нитей FDM до полного формирования градиентного полимерного композита детали. Градиентный полимерный композит, полученный способом по любому из пп. 1, 2, содержащий: - органический полимер из ряда: акрилонитрил-бутадиенстирольный пластик, полилактид, полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиформальдегид, поликарбонат, - не менее одного наполнителя, отличающийся тем, что дополнительно содержит органический полимер из ряда: полифениленсульфид, полисульфон, полиимид, полиэфирэфиркетон, поликапролактон, термопластичный полиуретан, полиэфиримид; а наполнитель выбирают из ряда: неорганический, органический, короткие волокна; при этом концентрация наполнителя в органическом полимере на стадии их смешения составляет от 5 до 65 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя.
Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг.1, Фиг.2.
На Фиг.1 представлена Таблица, в которой приведены состав и температурный режим печати заявленного композита, полученного по 1 варианту.
На Фиг.2 представлена Таблица, в которой приведены состав и температурный режим печати заявленного композита, полученного по 2 варианту.
Далее заявителем приведено описание заявленного технического решения.
Для достижения заявленного технического результата разработан способ получения градиентного полимерного композита методом 3D-печати (варианты) и градиентный полимерный композит (далее - заявленный композит), полученный указанным способом.
Далее заявителем приведено описание отдельных компонентов для 3D-печати заявленного композита.
Для 3D-печати заявленного композита в качестве полимерной матрицы использовали известные органические полимеры из ряда: акрилонитрил-бутадиенстирольный пластик (АБС), полилактид (ПЛА), полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), поливинилхлорид (ПВХ, полистирол (ПС), полиформальдегид ПОМ), поликарбонат (ПК), полифениленсульфид (ПФС), полисульфон (ПСФ), полиимид (ПИ), полиэфирэфиркетон (ПЭЭК), поликапролактон (ПКЛ), термопластичный полиуретан (ТПУ), полиэфиримид (ПЭИ).
Для получения концентрата использовали известные наполнители - неорганические, органические, короткие волокна, например:
- неорганические наполнители: двуокись титана (TiO2), диоксид кремния (SiO2), диоксид циркония (ZrO2), оксид алюминия (Al2О3), метакаолин, монтмориллонит, каолин, тальк, вермикулит, слюда, карбид кремния (SiC), карбонат кальция (CaCO3), карбонат магния (MgCO3), гидроксид алюминия (Al(OH)3), дисульфид молибдена (MoS2), гипс, сажа, графит, вспученный графит, порошок железа, порошок никеля, порошок феррита, порошок редкоземельного постоянного магнита (Nd-Fe-B марки E-28, E-30, E-33, E-38, E-42, Sm-Co марки ES-1, ES-2, КС-37);
- органические наполнители: альгинат натрия, гуммиарабик, крахмал, древесная мука;
- короткие волокна: стекло-, углеволокна, асбест.
Далее заявителем приведен состав заявленного градиентного полимерного композита.
Заявленный градиентный полимерный композит содержит:
- органический полимер из ряда: акрилонитрил-бутадиенстирольный пластик (АБС), полилактид (ПЛА), полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), поливинилхлорид (ПВХ, полистирол (ПС), полиформальдегид ПОМ), поликарбонат (ПК), полифениленсульфид (ПФС), полисульфон (ПСФ), полиимид (ПИ), полиэфирэфиркетон (ПЭЭК), поликапролактон (ПКЛ), термопластичный полиуретан (ТПУ), полиэфиримид (ПЭИ);
- не менее одного наполнителя из ряда: неорганический, органический, короткие волокна;
при этом концентрация наполнителя в органическом полимере на стадии их смешения составляет от 5 до 65 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя, при этом при концентрации наполнителя менее 5% практически не создается градиентный материал, а при его концентрации выше 65% - трудно смешать компоненты.
Заявитель поясняет, что соотношение компонентов выбирают в зависимости от вида органического полимера и наполнителя, а также требования, предъявляемого к готовой детали.
Заявленное сочетание и соотношение компонентов заявленного композита, а также порядок их смешения, описанные ниже в способе получения, обеспечивают механо-физические свойства готового композита с возможностью его использования в 3D-печати.
Заявленный способ получения заявленного композита (варианты) осуществляется в целом по следующей последовательности действий.
По 1 варианту - 3D-печать методом плавления гранул [FGF]:
- в доступном программном обеспечении, например Solidworks, создают 3D-модель требуемой детали;
- проводят обработку 3D-модели требуемой детали, получают серию 2D- срезов - слоев 3D-печати;
- исходя из назначения детали и условий ее эксплуатации вырабатывают требования к механическим, абразивным, фрикционным или антифрикционным и другим объемным и поверхностным свойствам детали. На основании этих требований выбирают органический полимер и не менее одного наполнителя, или несколько наполнителей, и определяют градиент распределения наполнителя, или наполнителей, по объему детали, например, градиент увеличения или уменьшения количества наполнителя от объемных слоев к поверхностным;
- информацию о градиенте распределения наполнителя переводят в ряд 2D-данных состава материала в соответствии с требованиями градиента структуры детали;
- проводят предварительное смешение порошка наполнителя с выбранным органическим полимером, для этого в двухшнековом экструдере при температуре 190-410 °С готовят концентрат - смесь с предельной концентрацией необходимого наполнителя в необходимом органическом полимере (полимерной матрице) с концентрацией наполнителя от 5 до 65 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя. Двухшнековый экструдер обеспечивает равномерное распределение наполнителя в органическом полимере даже при высоких концентрациях наполнителя, что и обеспечивает широкие возможности материала и способа его получения;
- далее загружают в бункеры печатающего 3D-устройства не менее одного вида полученного концентрата в виде гранул, а также при необходимости органический полимер в виде гранул без наполнителя;
- далее для создания градиента распределения наполнителя гранулы концентрата (не менее одного вида в необходимом соотношении между собой в зависимости от требования, предъявляемого к готовой детали), и при необходимости (в зависимости от требования, предъявляемого к готовой детали) гранулы органического полимера, подают из бункера в смеситель печатающего 3D-устройства в необходимом соотношении, мас.ч.: гранулы концентрата : гранулы органического полимера = от 0 : 100 до 100 : 0 в соответствии с настройками, смешивают и плавят путем нагрева до температуры 190-410°С, далее расплав продавливают в печатающую головку;
- проводят построчную печать слоев и формирование требуемой детали методом плавления гранул [FGF] до полного формирования градиентного полимерного композита детали. Предварительно смешанные в двухшнековом экструдере гранулы концентрата быстрее и лучше смешиваются с гранулами чистого полимера, или гранулами другого концентрата, в смесителе печатающего 3D-устройства, чем исходные порошки. Это позволяет улучшить смешение наполнителя и органического полимера и, кроме того, совместить в детали градиент двух и более наполнителей. С использованием концентрата можно получать методом 3D-печати градиентные полимерные композиты для широкого круга полимеров и наполнителей.
При этом органический полимер выбирают из ряда: АБС, полилактид, полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорида, полистирол, полиформальдегид, поликарбонат, полифениленсульфид, полисульфон, полиимид, полиэфирэфиркетон, поликапролактон (ПКЛ), термопластичный полиуретан (ТПУ), полиэфиримид (ПЭИ).
При этом в качестве наполнителей берут неорганические, органические наполнители или короткие волокна, например:
- неорганические наполнители: двуокись титана (TiO2), диоксид кремния (SiO2), диоксид циркония (ZrO2), оксид алюминия (Al2О3), метакаолин, монтмориллонит, каолин, тальк, вермикулит, слюда, карбид кремния (SiC), карбонат кальция (CaCO3), карбонат магния (MgCO3), гидроксид алюминия (Al(OH)3), дисульфид молибдена (MoS2), гипс, сажа, графит, вспученный графит, порошок железа, порошок никеля, порошок феррита, порошок редкоземельного постоянного магнита (Nd-Fe-B марки E-28, E-30, E-33, E-38, E-42, Sm-Co марки ES-1, ES-2, КС-37);
- органические наполнители: альгинат натрия, гуммиарабик, крахмал, древесная мука;
- наполнители короткие волокна: стекло-, углеволокна, асбест.
По 2 варианту - 3D-печать методом наплавления расплавленных нитей [FDM]:
- в доступном программном обеспечении, например Solidworks, создают 3D-модель требуемой детали;
- проводят обработку 3D-модели требуемой детали, получают серию 2D-срезов - слоев 3D-печати;
- исходя из назначения детали и условий ее эксплуатации вырабатывают требования к механическим, абразивным, фрикционным или антифрикционным и другим объемным и поверхностным свойствам детали. На основании этих требований выбирают органический полимер и не менее одного наполнителя, или несколько наполнителей, и определяют градиент распределения наполнителя, или наполнителей, по объему детали, например, градиент увеличения или уменьшения количества наполнителя от объемных слоев к поверхностным;
- информацию о градиенте распределения наполнителя переводят в ряд 2D-данных состава материала в соответствии с требованиями градиента структуры детали;
- проводят предварительное смешение порошка наполнителя с выбранным органическим полимером, для этого в двухшнековом экструдере при температуре 190-410°С готовят концентрат - смесь с предельной концентрацией необходимого наполнителя в необходимом органическом полимере (полимерной матрице) с концентрацией наполнителя от 5 до 65 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя. Двухшнековый экструдер обеспечивает равномерное распределение наполнителя в органическом полимере даже при высоких концентрациях наполнителя;
- далее на одношнековом экструдере формируют при температуре 190-410°С нити требуемого состава, диаметра и длины из гранул концентрата (не менее одного вида в необходимом соотношении между собой в зависимости от требования, предъявляемого к готовой детали), и при необходимости (в зависимости от требования, предъявляемого к готовой детали) из гранул органического полимера, в необходимом соотношении, мас.ч.: гранулы концентрата : гранулы органического полимера = от 0 : 100 до 100 : 0 в соответствии с настройками;
- далее участки нитей соответствующего состава и длины соединяют в общую нить их сваркой;
- проводят построчную печать слоев методом наплавления расплавленных нитей [FDM] до полного формирования градиентного полимерного композита детали.
Далее заявителем приведены примеры осуществления заявленного технического решения.
Пример 1.
Получение заявленного градиентного полимерного композита методом 3D-печати по 1 варианту методом плавления гранул [FGF] из полипропилена и коротких стекловолокон.
В качестве детали выбрана пластина из градиентного полимерного композита получаемой методом 3D-печати. Пластина должна обладать высокой ударной прочностью и жесткостью на изгиб, сочетание этих свойств можно добиться определенным градиентным распределением содержания стекловолокон от поверхностных слоев к центральным слоям. Полипропилен без наполнителя на поверхности пластины обеспечивает высокую ударную прочность, определенное градиентное распределение стекловолокон обеспечивает высокую жесткость пластины.
3D-модель детали создают в программном обеспечении Solidworks, затем проводят обработку 3D-модели детали с получением серии 2D-срезов - слоев 3D-печати, исходя из ранее сформулированных требований по градиенту распределения наполнителя расписывают содержание стекловолокна по слоям.
3D-печать пластины градиентного полимерного композита проводят с использованием гранул полипропилена и гранул концентрата стекловолокон в полипропилене. Гранулы концентрата из полипропилена и коротких стекловолокон с концентрацией стекловолокна 35 мас.% готовят на двухшнековом экструдере при 240°С. Полученные гранулы концентрата и гранулы полипропилена без наполнителя загружают в бункеры подачи материалов печатающего устройства. С учетом концентрации стекловолокна в концентрате и требований по его содержанию в каждом слое расписывают массовое соотношение гранул концентрата и полимера в каждом слое и заводят это в программу подачи гранул. Гранулы из бункеров подаются в смеситель в соответствии с настройками программы, смешивают, плавят путем нагрева до температуры 240°С и построчно печатают слои до полного формирования градиентного полимерного композита детали.
Получили заявленный композит состава: наружные слои, состоят из 100% ПП, содержанием стекловолокна в центральном слое пластины 35%, переходные слои имеют заданный градиент концентрации стекловолокон от центра пластины.
Пример 2.
Получение градиентного полимерного композита методом 3D-печати по 1 варианту методом плавления гранул [FGF] из полипропилена, коротких стекловолокон и порошка графита.
В качестве детали выбрана пластина из градиентного полимерного композита получаемой методом 3D-печати. Пластина должна обладать высокой жесткостью на изгиб и низким коэффициентом трения на поверхности, сочетание этих свойств можно добиться определенным градиентным распределением содержания стекловолокон и графита от поверхностных слоев к центральным слоям. Графит на поверхности пластины обеспечивает низкий коэффициент трения, определенное градиентное распределение стекловолокон обеспечивает высокую жесткость пластины.
3D модель детали создают в программном обеспечении Solidworks, затем проводят обработку 3D-модели детали с получением серии 2D-срезов - слоев 3D-печати, исходя из ранее сформулированных требований по градиенту распределения наполнителей расписывают содержание стекловолокна и графита по слоям.
3D-печать градиентного полимерного композита пластины проводят с использованием гранул концентрата стекловолокон в полипропилене и гранул концентрата графита в полипропилене. Гранулы концентрата из полипропилена и графита с концентрацией графита 55 мас.% готовят на двухшнековом экструдере в режиме 240°С Гранулы концентрата из полипропилена и коротких стекловолокон с концентрацией стекловолокна 35 мас.% готовят на двухшнековом экструдере в режиме 240°С по Примеру 1. Полученные гранулы концентратов загружают в бункеры подачи материалов печатающего устройства. Гранулы из бункеров подают в смеситель в соответствии с настройками программы, смешивают, плавят путем нагрева до температур 240°С и построчно печатают слои до полного формирования градиентного полимерного композита детали.
Получили заявленный композит состава: наружные слои, состоят из 55% графита в ПП, центральный слой пластины содержит 35% стекловолокна в ПП, переходные слои имеют заданный градиент концентрации стекловолокон и графита от центра пластины к наружным слоям.
Пример 3.
Получение градиентного полимерного композита методом 3D-печати по 1 варианту методом плавления гранул [FGF] из термопластичного полиуретана (ТПУ), асбеста, порошка никеля и порошка феррита.
В качестве детали выбрана деталь в форме когтя из градиентного полимерного композита получаемой методом 3D-печати. Деталь должна обладать высокой жесткостью на изгиб, проводящими свойствами в внутри и магнитными свойствами, сочетания этих свойств можно добиться определенным градиентным распределением содержания асбеста от наружной поверхностных слоев к центральным слоям. Никель внутри когтя обеспечивает проводимость, порошок феррита на внутренней поверхности обеспечивает магнитные свойства. Плавное градиентное распределение наполнителей между слоями обеспечивает высокие адгезионные свойства между слоями.
3D модель детали создают в программном обеспечении Solidworks, затем проводят обработку 3D-модели детали с получением серии 2D-срезов - слоев 3D-печати, исходя из ранее сформулированных требований по градиенту распределения наполнителей расписывают содержание асбеста и порошков никеля и феррита по слоям.
3D-печать градиентного полимерного композита детали проводят с использованием гранул концентрата асбеста в ТПУ, гранул концентрата никеля в ТПУ и гранул концентрата феррита в ТПУ. Гранулы концентрата из ТПУ и никеля с концентрацией никеля 65 мас.% готовят на двухшнековом экструдере в режиме 230 °С. Гранулы концентрата из ТПУ и феррита с концентрацией феррита 50 мас.% готовят на двухшнековом экструдере в режиме 230°С. Гранулы концентрата из ТПУ и асбеста с концентрацией асбеста 35 мас.% готовят на двухшнековом экструдере в режиме 230 °С. Полученные гранулы концентратов загружают в бункеры подачи материалов печатающего устройства. Гранулы из бункеров подают в смеситель в соответствии с настройками программы, смешивают, плавят путем нагрева до температур 230 °С и построчно печатают слои до полного формирования градиентного полимерного композита детали.
Получили заявленный композит состава: наружная поверхность состоит из 35% асбеста в ТПУ, внутренняя поверхность состоит 50% феррита в ТПУ, центральный сдой состоит 65% никеля в ТПУ, переходные слои имеют заданный градиент концентрации компонентов.
Примеры 4-30.
Получение градиентного полимерного композита методом 3D-печати по 1 варианту методом плавления гранул [FGF] из различных полимеров и наполнителей.
Проводят последовательность действий по Примерам 1, 2 и 3, отличающуюся тем, что берем различные полимеры, различные наполнители, с различной концентрацией, проводят плавление до различных температур. Данные приведены в Таблице 1 на Фиг1.
Пример 31.
Получение градиентного полимерного композита методом 3D-печати
по 2 варианту наплавлением расплавленных нитей [FDM] полученных из полипропилена и монтмориллонита.
В качестве детали выбрана пластина из градиентного полимерного композита получаемой методом 3D-печати наплавлением расплавленных нитей [FDM]. Пластина должна обладать высокой жесткостью на изгиб и низким водопоглощением, сочетание этих свойств можно добиться определенным градиентным распределением содержания монтмориллонита от поверхностных слоев к центральным слоям. Полипропилен без наполнителя на поверхности пластины обеспечивает низкое водопоглощение, градиентное повышение содержания монтмориллонита обеспечивает высокую жесткость пластины.
3D модель детали создают в программном обеспечении Solidworks, затем проводят обработку 3D-модели детали с получением серии 2D-срезов - слоев 3D-печати, исходя из ранее сформулированных требований по градиенту распределения наполнителя расписывают содержание монтмориллонита по слоям.
3D-печать пластины градиентного полимерного композита проводят с наплавлением расплавленных нитей [FDM]. Нити нужного состава изготавливают смешением и расплавлением гранул концентрата полипропилена и монтмориллонита и гранул ненаполненного полипропилена. Гранулы концентрата из полипропилена и монтмориллонита с концентрацией монтмориллонита 35 мас.% готовят на двухшнековом экструдере в режиме 240°С Исходя из данных состава материала в соответствии с требованиями градиента структуры детали, участки нитей соответствующего состава и длины соединяются в общую нить их сваркой.
Пример 32.
Получение градиентного полимерного композита методом 3D-печати
по 2 варианту наплавлением расплавленных нитей [FDM] полученных из полипропилена, порошка редкоземельного постоянного магнита и диоксида кремния.
В качестве детали выбрана пластина из градиентного полимерного композита получаемой методом 3D-печати наплавлением расплавленных нитей [FDM]. Пластина должна обладать особыми магнитными свойствами, сочетание этих свойств можно добиться определенным градиентным распределением содержания редкоземельного постоянного магнита (марка КС-37) и диоксида кремния в объеме композита. Полипропилен с диоксидом кремния обеспечивает низкое радиопоглощение, градиентное распределение двух наполнителей обеспечивает необходимые магнитные свойства.
3D модель детали создают в программном обеспечении Solidworks, затем проводят обработку 3D-модели детали с получением серии 2D-срезов - слоев 3D-печати, исходя из ранее сформулированных требований по градиенту распределения наполнителей расписывают их содержание по слоям.
3D-печать пластины градиентного полимерного композита проводят с наплавлением расплавленных нитей [FDM]. Нити нужного состава изготавливают смешением и расплавлением гранул концентрата полипропилена и редкоземельного постоянного магнита и гранул концентрата полипропилена и диоксида кремния. Гранулы концентрата из полипропилена и редкоземельного постоянного магнита с концентрацией редкоземельного постоянного магнита 50 мас.% готовят на двухшнековом экструдере в режиме 240°С Гранулы концентрата из полипропилена и диоксида кремния с концентрацией диоксида кремния 45 мас.% готовят на двухшнековом экструдере в режиме 240°С Исходя из данных состава материала в соответствии с требованиями градиента структуры детали, участки нитей соответствующего состава и длины соединяются в общую нить их сваркой.
Пример 33.
Получение градиентного полимерного композита методом 3D-печати по 2 варианту наплавлением расплавленных нитей [FDM] полученных из термопластичного полиуретана (ТПУ), асбеста, порошка дисульфида молибдена и порошка феррита.
В качестве детали выбрана деталь - тор из градиентного полимерного композита получаемой методом 3D-печати наплавлением расплавленных нитей [FDM]. Деталь должна обладать жесткостью, магнитными и антифрикционными свойствами, сочетание этих свойств можно добиться определенным градиентным распределением содержания асбеста и порошка никеля в объеме композита. ТПУ с дисульфидом молибдена в поверхностных слоях обеспечивает низкий коэффициент трения.
3D модель детали создают в программном обеспечении Solidworks, затем проводят обработку 3D-модели детали с получением серии 2D-срезов - слоев 3D-печати, исходя из ранее сформулированных требований по градиенту распределения наполнителей расписывают их содержание по слоям.
3D-печать пластины градиентного полимерного композита проводят с наплавлением расплавленных нитей [FDM]. Нити нужного состава изготавливают смешением и расплавлением гранул концентрата ТПУ с дисульфидом молибдена, гранул концентрата ТПУ с ферритом и гранул концентрата ТПУ с асбестом. Гранулы концентрата из ТПУ и дисульфида молибдена с концентрацией дисульфида молибдена 60 мас.% готовят на двухшнековом экструдере в режиме 230°С Гранулы концентрата из ТПУ и феррита с концентрацией феррита 65 мас.% готовят на двухшнековом экструдере в режиме 230°С. Гранулы концентрата из ТПУ и асбеста с концентрацией асбеста 35 мас.% готовят на двухшнековом экструдере в режиме 230°С. Исходя из данных состава материала в соответствии с требованиями градиента структуры детали, участки нитей соответствующего состава и длины соединяются в общую нить их сваркой.
Примеры 34-60.
Получение градиентного полимерного композита методом 3D-печати наплавлением расплавленных нитей [FDM] полученных из различных полимеров и наполнителей.
Проводят последовательность действий по примерам 31, 32 и 33, отличающуюся тем, что берут различные полимеры, различные наполнители, с различной концентрацией, проводят плавление до различных температур. Данные приведены в Таблице 2 на Фиг2.
Таким образом, из описанного выше можно сделать вывод, что заявителем достигнут заявленный технический результат, превышающий технический результат прототипа, а именно:
- расширен круг органических полимеров для получения градиентных материалов методом 3D печати;
- расширен круг наполнителей по природе материалов и форме частиц для получения градиентных материалов методом 3D печати;
- улучшено смешение наполнителей и органических полимеров благодаря использованию предварительно подготовленных в двухшнековом экструдере смесей с предельной концентрацией необходимого компонента;
- совмещены в готовой детали градиенты двух и более наполнителей.
Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна», предъявляемому к изобретениям, так как на дату предоставления заявочных материалов заявителем из исследованного уровня техники не выявлены источники, обладающие совокупность признаков, идентичными совокупности признаков заявленного технического решения.
Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, т. к. совокупность заявленных признаков обеспечивает получение неочевидных для специалиста технических результатов, превышающих технический результат прототипа. Заявителем из исследованного уровня техники не выявлены составы, в которых одновременно использовались бы заявленные компоненты в заявленном соотношении и в заявленном назначении, а именно - использование предварительно подготовленных в двухшнековом экструдере смесей с предельной концентрацией необходимого компонента. В выявленных источниках также отсутствует последовательность действий заявленного способа, следовательно, заявленный способ не является очевидным для специалиста в анализируемой области техники.
Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость» предъявляемому к изобретениям, так как заявленный состав может быть получен посредством использования известных компонентов с применением стандартного оборудования и известных приемов.
Claims (19)
1. Способ получения градиентного полимерного композита методом 3D-печати, заключающийся в том, что создают 3D-модель требуемой детали, проводят обработку 3D-модели требуемой детали, получают серию 2D-срезов – слоев 3D-печати,
далее вырабатывают требования к механическим, абразивным, фрикционным или антифрикционным и другим объемным и поверхностным свойствам детали, на основании этих требований выбирают органический полимер из ряда: акрилонитрил-бутадиенстирольный пластик, полилактид, полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиформальдегид, поликарбонат, выбирают не менее одного наполнителя, далее информацию о градиенте распределения наполнителя переводят в ряд 2D-данных состава материала в соответствии с требованиями градиента структуры детали, отличающийся тем, что
дополнительно выбирают органический полимер из ряда: полифениленсульфид, полисульфон, полиимид, полиэфирэфиркетон, поликапролактон, термопластичный полиуретан, полиэфиримид; а наполнитель выбирают неорганический, органический или короткие волокна, или несколько наполнителей и определяют градиент распределения наполнителя, или наполнителей, по объему детали;
после перевода информации о градиенте распределения наполнителя в ряд 2D-данных состава материала в соответствии с требованиями градиента структуры детали проводят предварительное смешение порошка наполнителя с выбранным органическим полимером, для этого в двухшнековом экструдере при температуре 190-410°С готовят концентрат – смесь с предельной концентрацией необходимого наполнителя в необходимом органическом полимере, при этом концентрацию наполнителя в органическом полимере выбирают в диапазоне от 5 до 65 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя;
далее загружают в бункеры печатающего 3D-устройства не менее одного вида полученного концентрата в виде гранул, а также при необходимости органический полимер в виде гранул без наполнителя;
далее для создания градиента распределения наполнителя гранулы не менее одного вида концентрата в необходимом соотношении между собой и при необходимости гранулы органического полимера подают из бункера в смеситель печатающего 3D-устройства в необходимом соотношении в пределах, мас.ч.: гранулы концентрата : гранулы органического полимера = от 0:100 до 100:0 в соответствии с настройками, смешивают и плавят путем нагрева до температуры 190-410°С, далее расплав продавливают в печатающую головку;
далее проводят построчную печать слоев и формирование требуемой детали методом плавления гранул FGF до полного формирования градиентного полимерного композита детали.
2. Способ получения градиентного полимерного композита методом 3D-печати, заключающийся в том, что создают 3D-модель требуемой детали, проводят обработку 3D-модели требуемой детали, получают серию 2D-срезов – слоев 3D-печати,
далее вырабатывают требования к механическим, абразивным, фрикционным или антифрикционным и другим объемным и поверхностным свойствам детали, на основании этих требований выбирают органический полимер из ряда: акрилонитрил-бутадиенстирольный пластик, полилактид, полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиформальдегид, поликарбонат, выбирают не менее одного наполнителя, далее информацию о градиенте распределения наполнителя переводят в ряд 2D-данных состава материала в соответствии с требованиями градиента структуры детали, отличающийся тем, что
дополнительно выбирают органический полимер из ряда: полифениленсульфид, полисульфон, полиимид, полиэфирэфиркетон, поликапролактон, термопластичный полиуретан, полиэфиримид; а наполнитель выбирают неорганический, органический или короткие волокна, или несколько наполнителей и определяют градиент распределения наполнителя, или наполнителей, по объему детали;
после перевода информации о градиенте распределения наполнителя в ряд 2D-данных состава материала в соответствии с требованиями градиента структуры детали проводят предварительное смешение порошка наполнителя с выбранным органическим полимером, для этого в двухшнековом экструдере при температуре 190-410°С готовят концентрат – смесь с предельной концентрацией необходимого наполнителя в необходимом органическом полимере, при этом концентрацию наполнителя в органическом полимере выбирают в диапазоне от 5 до 65 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя;
далее на одношнековом экструдере формируют при температуре 190-410°С нити требуемого состава, диаметра и длины из гранул не менее одного вида концентрата в необходимом соотношении между собой в зависимости от требования, предъявляемого к готовой детали, и при необходимости из гранул органического полимера, в необходимом соотношении, мас.ч.: гранулы концентрата : гранулы органического полимера = от 0:100 до 100:0 в соответствии с настройками;
далее участки нитей соответствующего состава и длины соединяют в общую нить их сваркой;
проводят построчную печать слоев методом наплавления расплавленных нитей FDM до полного формирования градиентного полимерного композита детали.
3. Градиентный полимерный композит, полученный способом по любому из пп. 1, 2, содержащий:
– органический полимер из ряда: акрилонитрил-бутадиенстирольный пластик, полилактид, полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиформальдегид, поликарбонат,
– не менее одного наполнителя,
отличающийся тем, что дополнительно содержит органический полимер из ряда: полифениленсульфид, полисульфон, полиимид, полиэфирэфиркетон, поликапролактон, термопластичный полиуретан, полиэфиримид; а наполнитель выбирают из ряда: неорганический, органический, короткие волокна;
при этом концентрация наполнителя в органическом полимере на стадии их смешения составляет от 5 до 65 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2812548C1 true RU2812548C1 (ru) | 2024-01-30 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2417891C1 (ru) * | 2009-08-24 | 2011-05-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Способ изготовления полимерного композита с ориентированным массивом углеродных нанотрубок |
CN104552951A (zh) * | 2015-01-06 | 2015-04-29 | 彭晓领 | 一种聚合物基梯度材料的3d打印制备方法 |
CN112676681A (zh) * | 2019-12-20 | 2021-04-20 | 天津大学 | 一种增材制造梯度材料横向均匀过渡制造方法 |
CN112829283A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-05-25 | 南方科技大学 | 一种梯度材料及其制备方法 |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2417891C1 (ru) * | 2009-08-24 | 2011-05-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Способ изготовления полимерного композита с ориентированным массивом углеродных нанотрубок |
CN104552951A (zh) * | 2015-01-06 | 2015-04-29 | 彭晓领 | 一种聚合物基梯度材料的3d打印制备方法 |
CN112676681A (zh) * | 2019-12-20 | 2021-04-20 | 天津大学 | 一种增材制造梯度材料横向均匀过渡制造方法 |
CN112829283A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-05-25 | 南方科技大学 | 一种梯度材料及其制备方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Park et al. | Polymer-based filament feedstock for additive manufacturing | |
Singh et al. | Polymer matrix composites in 3D printing: A state of art review | |
Isobe et al. | Comparison of strength of 3D printing objects using short fiber and continuous long fiber | |
Masood et al. | Development of new metal/polymer materials for rapid tooling using fused deposition modelling | |
Nikzad et al. | Thermo-mechanical properties of a highly filled polymeric composites for fused deposition modeling | |
JP3969650B2 (ja) | 複合樹脂成形品におけるスキン層の層厚制御方法 | |
Sivadas et al. | Laser sintering of polymer nanocomposites | |
Kumar et al. | Plastic pellets | |
Srivastava et al. | Smart manufacturing process of carbon-based low-dimensional structures and fiber-reinforced polymer composites for engineering applications | |
Abd-Elaziem et al. | Particle-reinforced polymer matrix composites (PMC) fabricated by 3D printing | |
RU2812548C1 (ru) | Способ получения градиентного полимерного композита методом 3D-печати (варианты) и градиентный полимерный композит, полученный указанным способом | |
Sharma et al. | Optimization of FDM 3D printing process parameters using Taguchi technique | |
JP2009512774A (ja) | 導電複合材料のための長繊維熱可塑性樹脂の製法及びそれにより形成される複合材料 | |
CN101010386A (zh) | 具有树脂和vgcf的导电复合材料、其制备方法和用途 | |
Albdiry | Effect of melt blending processing on mechanical properties of polymer nanocomposites: a review | |
WO2018229108A1 (en) | Composite material and its use in additive manufacturing methods | |
CN108219349A (zh) | 一种3d打印用改性abs树脂及其制备方法 | |
EP0170245A2 (en) | Pellets of fibre-reinforced compositions and methods for producing such pellets | |
Daniel et al. | Manufacturing issues of polypropylene nanocomposite by melt intercalation process | |
EP3447083B1 (en) | Carbon nanotube enhanced polymers and methods for manufacturing the same | |
CN108430748B (zh) | 复合材料片材及用于制造它的方法 | |
Ahlawat et al. | 3D FDM printable polymer composites and polymer nanocomposites: state of the art | |
Ismail et al. | 3D-Printed Fiber-Reinforced Polymer Composites by Fused Deposition Modelling (FDM): Fiber Length and Fiber Implementation Techniques, Polymers, 2022, 14 (21), p 4659 | |
Jafrey Daniel James et al. | Manufacturing Issues and Process Parameters of Composite Filament for Additive Manufacturing Process | |
Kalia et al. | Tensile properties of 3D-printed polycarbonate/carbon nanotube nanocomposites |