一種無(wú)模材料成型方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料成型領(lǐng)域，更具體地，涉及一種材料成型方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]無(wú)模制造是近年來(lái)發(fā)展極為迅速的一種新型材料成型工藝，也稱增材制造、快速制造和3D打印。無(wú)模成型技術(shù)通過(guò)逐層沉積堆疊的原理將材料由液態(tài)直接轉(zhuǎn)化為固態(tài)來(lái)制造零件?？捎糜跓o(wú)模成型的材料包括陶瓷，金屬，熱塑性材料，熱固性材料和復(fù)合物。由于制造過(guò)程中材料成分可以人為控制，因此可以制造出各處成分不同的坯體。作為一種以傳統(tǒng)材料來(lái)制作小批量零件的新型成型方法，無(wú)模成型的優(yōu)勢(shì)在于可極大的提高難以加工材料的成型，制造過(guò)程中不使用模具則避免了液?固相變過(guò)程中坯體收縮受到模具限制而產(chǎn)生的缺陷及脫模過(guò)程中對(duì)坯體造成的人為損傷。利用無(wú)模成型法能夠加工出傳統(tǒng)方法不能成型的零件，比如說(shuō)含內(nèi)封閉空間、復(fù)雜通道及分散孔的零件。
[0003]目前的無(wú)模成型技術(shù)如選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering)、恪融沉積成型(Fused Deposit1n Modeling)、三維打印成型(3D?printing)、化學(xué)液相沉積(Chemical Liquid Deposit1n)、形狀沉積成型(Shaped Deposit1n Modeling)、選擇性激光恪化(Selective Laser Melting)、自動(dòng)注楽成型(Robocasting)和擠出無(wú)模制造(Extrus1n Freeform Fabricat1n)等。這些無(wú)模成型技術(shù)都通過(guò)逐層堆疊的方法制造三維部件。
[0004]在擠出無(wú)模制造技術(shù)中，擠出的漿料在打印前裝于一帶有針孔的單筒容器中，通過(guò)活塞桿對(duì)漿料施加壓力將其從針孔中擠出，擠出物沉積后發(fā)生固化而保持特定形狀。擠出無(wú)模制造技術(shù)中所用漿料大多為熱塑性高分子與粉末材料的混合物，漿料裝于帶有針孔及加壓的裝置的單筒容器中，熱塑性高分子在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上具有一定的流動(dòng)性從而使得漿料可以擠出，擠出后溫度降低至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下，熱塑性高分子固化形成特定形狀。該技術(shù)制造的坯體中有機(jī)物含量高(?10% )，需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的脫脂程序，尤其重要的是低的裝載量降低了打印部件的素坯密度，從而難以通過(guò)后處理工藝如燒結(jié)獲得致密的部件。目前的擠出無(wú)模制造技術(shù)中，為保證漿料的流動(dòng)性(降低粘度)以便于擠出，漿料的固相含量大多較低，使得最終燒結(jié)部件難以獲得高的致密度。
[0005]凝膠注模成型技術(shù)利用高濃度粉末材料懸浮液中含有的有機(jī)單體發(fā)生原位的聚合反應(yīng)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得粉末顆粒具有特定的形狀，利用該技術(shù)制備的坯體強(qiáng)度高、有機(jī)物含量低，是一種材料適用性廣的先進(jìn)近凈形狀粉末材料成型技術(shù)。凝膠注模漿料的流動(dòng)性較好、有機(jī)物含量低，但模具的存在極大的限制了該技術(shù)的應(yīng)用。
[0006]將凝膠注模漿料用于無(wú)模成型是兩種技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的結(jié)合，可以獲得力學(xué)性能優(yōu)良的高裝載量的形狀復(fù)雜零件坯體，并得到高致密度的最終零件。無(wú)模成型工藝不需使用模具，可以制造含內(nèi)封閉通道及腔室的部件；凝膠注模成型的漿料固相含量高、流動(dòng)性好，便于擠出，素坯中有機(jī)物含量低(?3%)、坯體力學(xué)性能優(yōu)良，便于后處理。目前已有關(guān)于凝膠注模漿料用于無(wú)模成型的報(bào)道，如專利號(hào)CN1218017A “陶瓷部件快速成型的方法和裝置”通過(guò)在凝膠注模的漿料池中將自由基引發(fā)劑和催化劑選擇性的噴于漿料層上，使?jié){料凝膠化而制造三維部件。該專利中采用兩個(gè)噴嘴分別噴灑引發(fā)劑溶液和催化劑溶液，由于噴灑量微小，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)固化速度的精確控制，且噴灑溶液最初僅存在于漿料層的表面，導(dǎo)致引發(fā)劑和催化劑濃度在漿料中存在濃度分布梯度并導(dǎo)致漿料固化不均，從而使得成型坯體容易出現(xiàn)變形、裂紋等缺陷。專利CN104493952A “陶瓷梯度材料的凝膠注模3D打印制備方法”同時(shí)將陶瓷組分、有機(jī)預(yù)混液、引發(fā)劑和催化劑注入打印頭中混合，然后以設(shè)定軌跡和速度打印成型，該方法各組分混合不均勻，引發(fā)劑和催化劑的過(guò)早混合容易導(dǎo)致引發(fā)劑在催化劑的作用下迅速分解產(chǎn)生初級(jí)自由基，初級(jí)自由基反應(yīng)活性很強(qiáng)，很容易失效而無(wú)法有效引發(fā)有機(jī)預(yù)混液中的單體聚合，打印過(guò)程的可控制性差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種無(wú)模材料成型方法及裝置，其目的在于通過(guò)分離引發(fā)體系和單體并通過(guò)調(diào)整引發(fā)體系添加比例及成型條件，由此解決原位固化方法進(jìn)行無(wú)模成型時(shí)混合不勻、可控性差的技術(shù)問(wèn)題。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種無(wú)模材料成型方法，所述方法為原位固化的粉末成型方法，包括以下步驟:
[0009]將含有催化劑的第一漿料和含有引發(fā)劑的第二漿料分別作為3D打印材料，進(jìn)行預(yù)混后，在誘導(dǎo)期內(nèi)打印成型。
[0010]優(yōu)選地，所述材料成型方法，其所述第一漿料含有可聚合單體及交聯(lián)劑。
[0011]優(yōu)選地，所述材料成型方法，其所述第一漿料中催化劑溶劑加入體積為第一漿料體積的0.1?6%。
[0012]優(yōu)選地，所述材料成型方法，其第二漿料中引發(fā)劑溶液加入體積為第二漿料體積的0.1?3% ο
[0013]優(yōu)選地，所述材料成型方法，其所述打印成型條件:引發(fā)劑與催化劑之間的摩爾比為引發(fā)劑:催化劑=1:1?10 ;第一漿料與第二漿料混合比例按體積比計(jì)為第二漿料:第一漿料=1:1?10 ;第一漿料與第二漿料的預(yù)混溫度為10?30°C，基板溫度為30?100°C，在以上條件下第一楽料與第二楽料混合后的誘導(dǎo)期時(shí)間為5s?5min。
[0014]優(yōu)選地，所述材料成型方法，其所述打印成型條件:擠出壓力為0.2?4MPa，電機(jī)轉(zhuǎn)速10?600RPM。
[0015]按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種材料成型裝置，其特征在于，包括第一及第二儲(chǔ)料容器、預(yù)混裝置以及3D打印裝置，所述第一、第二儲(chǔ)料容器與預(yù)混裝置連接，所述預(yù)混裝置與3D打印裝置的噴嘴連接；所述預(yù)混裝置包括具有兩個(gè)進(jìn)料口的混合腔、攪拌葉和電機(jī)，所述進(jìn)料口分別與第一、第二儲(chǔ)料容器相連，所述攪拌葉置于混合腔中，所述攪拌葉與電機(jī)相連，在電機(jī)的帶動(dòng)下在混合腔內(nèi)進(jìn)行攪拌。
[0016]優(yōu)選地，所述材料成型裝置，其噴嘴為針孔噴嘴。
[0017]優(yōu)選地，所述材料成型裝置，其預(yù)混裝置所述攪拌葉為槳狀。
[0018]優(yōu)選地，所述材料成型裝置，其預(yù)混裝置所述攪拌葉為螺桿。
[0019]總體而言，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的有機(jī)物含量高、固化過(guò)程可控性差、混合不均勻的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種無(wú)模成型方法及裝置，成功的優(yōu)化了凝膠注模漿料在無(wú)模成型技術(shù)中的應(yīng)用。本發(fā)明采用雙筒擠出可以自由的調(diào)節(jié)雙組份漿料的出料比例，兩組分漿料比重、粘度的相近及采用電機(jī)帶動(dòng)的加壓預(yù)混裝置，對(duì)漿料進(jìn)行動(dòng)態(tài)混合保證了不同比例、高粘度漿料混合的均勻性，引發(fā)體系與可交聯(lián)單體的分離提高了工藝過(guò)程中漿料的穩(wěn)定性和固化過(guò)程的可控性。與現(xiàn)有的用于無(wú)模成型的凝膠注模漿料相比，利用雙筒擠出的方式可以在允許的流動(dòng)性范圍內(nèi)最大限度的提高漿料的固相含量，漿料中各成分混合更加均勻，固化更容易控制，提高了打印坯體的初始密度，可獲得致密度很高的最終部件。
[0020]本發(fā)明提出的方法是一種用于制備復(fù)雜形狀、近凈尺寸的粉末材料部件的新型成型方法，該方法將凝膠注模成型工藝中所使用的懸浮液直接用于無(wú)模成型，與現(xiàn)有的凝膠注模成型工藝相比，具有明顯的創(chuàng)新性。該發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)催化劑和引發(fā)劑的用量及溫度以縮短漿料的固化誘導(dǎo)期來(lái)促進(jìn)懸浮液在基板上的快速固化并提高打印速度，混合腔室中的混合過(guò)程要求快速且均勻以防止預(yù)聚合的產(chǎn)生，催化劑和引發(fā)劑的分離極大的提高了打印的可操作性，從噴嘴中擠出的懸浮液在基板上的快速固化則極大的提高了懸浮液的成型性能，成型過(guò)程中不存在模具則極大的減少了懸浮液固化過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。
[0021]本發(fā)明提出的方法制備的陶瓷素坯的有機(jī)物含量遠(yuǎn)低于目前的無(wú)模成型工藝制造的素坯中的有機(jī)物含量，各組分混合十分均勻，可以制造出任何形狀的、高尺寸精度的粉末零件，特別適用于大尺寸、形狀復(fù)雜的粉末零件的制造。該方法適用性強(qiáng)，極大的擴(kuò)展了可用于無(wú)模成型的材料體系，極大的降低了目前金屬部件無(wú)模成型的生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)了陶瓷材料、金屬材料及各類復(fù)合材料的復(fù)雜形狀致密部件的無(wú)模精密制造。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:1是活塞，2是第一儲(chǔ)料容器，3是第二儲(chǔ)料容器，4是輸料管，5是電機(jī)，6是混合