一种无模材料成型方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料成型领域，更具体地，涉及一种材料成型方法及装置。
【背景技术】
[0002]无模制造是近年来发展极为迅速的一种新型材料成型工艺，也称增材制造、快速制造和3D打印。无模成型技术通过逐层沉积堆叠的原理将材料由液态直接转化为固态来制造零件。可用于无模成型的材料包括陶瓷，金属，热塑性材料，热固性材料和复合物。由于制造过程中材料成分可以人为控制，因此可以制造出各处成分不同的坯体。作为一种以传统材料来制作小批量零件的新型成型方法，无模成型的优势在于可极大的提高难以加工材料的成型，制造过程中不使用模具则避免了液?固相变过程中坯体收缩受到模具限制而产生的缺陷及脱模过程中对坯体造成的人为损伤。利用无模成型法能够加工出传统方法不能成型的零件，比如说含内封闭空间、复杂通道及分散孔的零件。
[0003]目前的无模成型技术如选择性激光烧结(Selective Laser Sintering)、恪融沉积成型(Fused Deposit1n Modeling)、三维打印成型(3D?printing)、化学液相沉积(Chemical Liquid Deposit1n)、形状沉积成型(Shaped Deposit1n Modeling)、选择性激光恪化(Selective Laser Melting)、自动注楽成型(Robocasting)和挤出无模制造(Extrus1n Freeform Fabricat1n)等。这些无模成型技术都通过逐层堆叠的方法制造三维部件。
[0004]在挤出无模制造技术中，挤出的浆料在打印前装于一带有针孔的单筒容器中，通过活塞杆对浆料施加压力将其从针孔中挤出，挤出物沉积后发生固化而保持特定形状。挤出无模制造技术中所用浆料大多为热塑性高分子与粉末材料的混合物，浆料装于带有针孔及加压的装置的单筒容器中，热塑性高分子在玻璃化转变温度以上具有一定的流动性从而使得浆料可以挤出，挤出后温度降低至玻璃化转变温度以下，热塑性高分子固化形成特定形状。该技术制造的坯体中有机物含量高(?10% )，需要设计复杂的脱脂程序，尤其重要的是低的装载量降低了打印部件的素坯密度，从而难以通过后处理工艺如烧结获得致密的部件。目前的挤出无模制造技术中，为保证浆料的流动性(降低粘度)以便于挤出，浆料的固相含量大多较低，使得最终烧结部件难以获得高的致密度。
[0005]凝胶注模成型技术利用高浓度粉末材料悬浮液中含有的有机单体发生原位的聚合反应形成三维网络结构使得粉末颗粒具有特定的形状，利用该技术制备的坯体强度高、有机物含量低，是一种材料适用性广的先进近净形状粉末材料成型技术。凝胶注模浆料的流动性较好、有机物含量低，但模具的存在极大的限制了该技术的应用。
[0006]将凝胶注模浆料用于无模成型是两种技术优点的结合，可以获得力学性能优良的高装载量的形状复杂零件坯体，并得到高致密度的最终零件。无模成型工艺不需使用模具，可以制造含内封闭通道及腔室的部件；凝胶注模成型的浆料固相含量高、流动性好，便于挤出，素坯中有机物含量低(?3%)、坯体力学性能优良，便于后处理。目前已有关于凝胶注模浆料用于无模成型的报道，如专利号CN1218017A “陶瓷部件快速成型的方法和装置”通过在凝胶注模的浆料池中将自由基引发剂和催化剂选择性的喷于浆料层上，使浆料凝胶化而制造三维部件。该专利中采用两个喷嘴分别喷洒引发剂溶液和催化剂溶液，由于喷洒量微小，难以实现对固化速度的精确控制，且喷洒溶液最初仅存在于浆料层的表面，导致引发剂和催化剂浓度在浆料中存在浓度分布梯度并导致浆料固化不均，从而使得成型坯体容易出现变形、裂纹等缺陷。专利CN104493952A “陶瓷梯度材料的凝胶注模3D打印制备方法”同时将陶瓷组分、有机预混液、引发剂和催化剂注入打印头中混合，然后以设定轨迹和速度打印成型，该方法各组分混合不均匀，引发剂和催化剂的过早混合容易导致引发剂在催化剂的作用下迅速分解产生初级自由基，初级自由基反应活性很强，很容易失效而无法有效引发有机预混液中的单体聚合，打印过程的可控制性差。
【发明内容】
[0007]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种无模材料成型方法及装置，其目的在于通过分离引发体系和单体并通过调整引发体系添加比例及成型条件，由此解决原位固化方法进行无模成型时混合不匀、可控性差的技术问题。
[0008]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种无模材料成型方法，所述方法为原位固化的粉末成型方法，包括以下步骤:
[0009]将含有催化剂的第一浆料和含有引发剂的第二浆料分别作为3D打印材料，进行预混后，在诱导期内打印成型。
[0010]优选地，所述材料成型方法，其所述第一浆料含有可聚合单体及交联剂。
[0011]优选地，所述材料成型方法，其所述第一浆料中催化剂溶剂加入体积为第一浆料体积的0.1?6%。
[0012]优选地，所述材料成型方法，其第二浆料中引发剂溶液加入体积为第二浆料体积的0.1?3% ο
[0013]优选地，所述材料成型方法，其所述打印成型条件:引发剂与催化剂之间的摩尔比为引发剂:催化剂=1:1?10 ;第一浆料与第二浆料混合比例按体积比计为第二浆料:第一浆料=1:1?10 ;第一浆料与第二浆料的预混温度为10?30°C，基板温度为30?100°C，在以上条件下第一楽料与第二楽料混合后的诱导期时间为5s?5min。
[0014]优选地，所述材料成型方法，其所述打印成型条件:挤出压力为0.2?4MPa，电机转速10?600RPM。
[0015]按照本发明的另一方面，提供了一种材料成型装置，其特征在于，包括第一及第二储料容器、预混装置以及3D打印装置，所述第一、第二储料容器与预混装置连接，所述预混装置与3D打印装置的喷嘴连接；所述预混装置包括具有两个进料口的混合腔、搅拌叶和电机，所述进料口分别与第一、第二储料容器相连，所述搅拌叶置于混合腔中，所述搅拌叶与电机相连，在电机的带动下在混合腔内进行搅拌。
[0016]优选地，所述材料成型装置，其喷嘴为针孔喷嘴。
[0017]优选地，所述材料成型装置，其预混装置所述搅拌叶为桨状。
[0018]优选地，所述材料成型装置，其预混装置所述搅拌叶为螺杆。
[0019]总体而言，针对现有技术中存在的有机物含量高、固化过程可控性差、混合不均匀的缺点，本发明提出了一种无模成型方法及装置，成功的优化了凝胶注模浆料在无模成型技术中的应用。本发明采用双筒挤出可以自由的调节双组份浆料的出料比例，两组分浆料比重、粘度的相近及采用电机带动的加压预混装置，对浆料进行动态混合保证了不同比例、高粘度浆料混合的均匀性，引发体系与可交联单体的分离提高了工艺过程中浆料的稳定性和固化过程的可控性。与现有的用于无模成型的凝胶注模浆料相比，利用双筒挤出的方式可以在允许的流动性范围内最大限度的提高浆料的固相含量，浆料中各成分混合更加均匀，固化更容易控制，提高了打印坯体的初始密度，可获得致密度很高的最终部件。
[0020]本发明提出的方法是一种用于制备复杂形状、近净尺寸的粉末材料部件的新型成型方法，该方法将凝胶注模成型工艺中所使用的悬浮液直接用于无模成型，与现有的凝胶注模成型工艺相比，具有明显的创新性。该发明通过调节催化剂和引发剂的用量及温度以缩短浆料的固化诱导期来促进悬浮液在基板上的快速固化并提高打印速度，混合腔室中的混合过程要求快速且均匀以防止预聚合的产生，催化剂和引发剂的分离极大的提高了打印的可操作性，从喷嘴中挤出的悬浮液在基板上的快速固化则极大的提高了悬浮液的成型性能，成型过程中不存在模具则极大的减少了悬浮液固化过程中产生的内应力。
[0021]本发明提出的方法制备的陶瓷素坯的有机物含量远低于目前的无模成型工艺制造的素坯中的有机物含量，各组分混合十分均匀，可以制造出任何形状的、高尺寸精度的粉末零件，特别适用于大尺寸、形状复杂的粉末零件的制造。该方法适用性强，极大的扩展了可用于无模成型的材料体系，极大的降低了目前金属部件无模成型的生产成本，实现了陶瓷材料、金属材料及各类复合材料的复杂形状致密部件的无模精密制造。
【附图说明】
[0022]图1是本发明实施例1的结构示意图；
[0023]图2是本发明实施例2的结构示意图。
[0024]在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中:1是活塞，2是第一储料容器，3是第二储料容器，4是输料管，5是电机，6是混合