本发明涉及推进剂的成型加工方法，特别是一种基于紫外光固化的固体推进剂3d打印成型方法。
背景技术：
传统热固性的复合固体推进剂成型制造主要是采用浇铸法成型工艺，是将液体主粘合剂、固化剂、固体氧化剂及金属燃料等原材料混合均匀后直接在模具或发动机壳体内浇铸，然后通过保温长时间固化而得到固体推进剂成品。需要脱模的固体推进剂，对形状有一定的限制，特别复杂的异型药柱采用这种工艺成型非常困难。因此，浇铸工艺无法满足一些复杂形状的固体推进剂成型制备。
紫外光固化3d打印是一种在传统打印的基础上，以光敏材料为基础原料，外加紫外光照射来使液态树脂材料发生聚合反应，分子量迅速增大而固化的原理。成型过程可以分建模、数字化切片(转换格式和层面处理)、3d打印成型等。
目前，文献报道的紫外光固化3d打印技术的原料都是液态的光敏树脂，在紫外光的照射下固化成型。由于固体推进剂原料中大量组成成分为固体，若直接将固体推进剂原料与光敏树脂混合，并采用现有的商用紫外光固化3d打印机进行成型，则会由于原料体系的流动性差、透光性差、分散不均匀等原因使得成型无法进行。目前还没有利用紫外光固化3d打印技术进行高固体含量的复合材料成型的文献报道。因此，现有的3d打印技术无法满足高固体含量的复合材料尤其是热固性固体推进剂的成型要求。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于紫外光固化的固体推进剂成型制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于紫外光固化的固体推进剂成型制备方法，是将光敏树脂、主粘合剂、固化剂、氧化剂、固体燃料等原料混合均匀，并将物料采用输送部件送到挤出喷头处进行连续挤出，并采用光纤将紫外光传送至挤出喷头处，将挤出的物料连续预固化。由3d打印软件系统控制挤出喷头的运动路径和物料的挤出速度，层层堆积层层光固化，最后将得到样品送入恒温箱中进行保温后固化。具体步骤为：
步骤1、将物料混合均匀，所述物料包括光敏树脂、主粘合剂、氧化剂、固体燃料、固化剂；
所述的光敏树脂为环氧丙烯酸酯、不饱和树脂聚酯丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、有机硅低聚酯、丙烯酸树脂、聚醚丙烯酸酯的一种或两种以上的混合物；
所述的主粘合剂为聚氨酯弹性体、聚叠氮缩水甘油醚、3-叠氮甲基-3-甲基环氧丁烷聚合物、3,3-双(叠氮甲基)环氧丁烷聚合物、端羟基聚丁二烯、聚醚、3,3-双(叠氮甲基)环氧丁烷-四氢呋喃共聚物中的一种或两种以上的混合物；
所述的氧化剂为高氯酸铵、硝酸铵、黑索今、奥克托金、fox-7、cl-20、tkx-50、二硝酰胺铵盐、硝仿肼中的一种或两种以上的混合物；
所述的固体燃料为铝粉、镁粉、硼粉或镁铝合金粉中的一种或两种以上的混合物；
固化剂为ipdi、tdi、mapo中一种或两种以上的混合物。
光敏树脂的含量占物料总质量的2～20％，主粘合剂的含量占物料总质量的8～40％，氧化剂的含量占物料总质量的40～85％，固体燃料的含量占物料总质量的0％～30％，固化剂的含量占物料总质量的0.5～5％。
氧化剂、固体燃料的颗粒直径小于0.5mm。
步骤2、将步骤1混合均匀后的物料输送到挤出喷头处进行连续挤出；混合均匀后的物料是采用螺杆式输送方式或活塞式输送方式进行输送的。
步骤3、将预先设计的推进剂立体模型输入计算机中，采用切片软件进行切片处理，由3d打印软件控制挤出喷头按照切片软件规划的路径进行三维运动，挤出的物料连续地铺展到打印平台上，挤出的物料采用紫外光照射连续地进行预固化；每完成一层物料的堆砌后喷头提高一个层厚，直到将物料堆砌成预先设计的推进剂形状；对挤出的物料采用紫外光照射时，紫外光强度为0.2mw/cm2到20mw/cm2。喷头每抬高一层的距离为0.05～1.0mm，挤出喷头的水平运动速度小于200mm/s，挤出喷头的喷口直径为0.3～3.0mm。紫外光由光纤传送至挤出物料的表面，传送紫外光的光纤出光接口与挤出喷头同步进行三维移动。
步骤4、将步骤3打印得到的制品，置入恒温烘箱中进行后固化，固化完成后获得固体推进剂成品。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：1)可以实现任意形状的固体推进剂的成型；2)不需要使用壳体就可以完成固化成型，突破了传统热固性固体推进剂必须在壳体或模具内完成固化成型的限制；3)紫外光源比较丰富，安全可靠，可以避免了其他固化方式因局部高温带来的安全隐患；4)本发明首次将紫外光固化3d打印技术和高固含量的物料成型技术结合，实现了传统方法无法解决的复合固体推进剂3d打印成型；5)本发明将光敏树脂与固体推进剂的原料混合并通过活塞或者螺杆挤出，由计算机挤出喷头将物料按一定的路径和层厚进行填充和堆积，并用紫外光跟随物料挤出头进行照射使物料及时固化，会很好的解决原料体系流动性差、透光性差、分散不均匀的问题，使得固化成型能够顺利成型。
附图说明
图1为本发明紫外光固化3d打印固体推进剂的工艺流程示意图。
具体实施方法
结合附图，本发明的一种基于紫外光固化的固体推进剂3d打印成型方法，包括以下步骤；
步骤1、将光敏树脂、主粘合剂、氧化剂、固体燃料、固化剂及其他助剂混合均匀。所述的光敏树脂为环氧丙烯酸酯、不饱和树脂聚酯丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、有机硅低聚酯、丙烯酸树脂、聚醚丙烯酸酯一种或一种以上的混合物；所述的主粘合剂为聚氨酯弹性体、聚叠氮缩水甘油醚、3-叠氮甲基-3-甲基环氧丁烷聚合物、3,3-双(叠氮甲基)环氧丁烷聚合物、端羟基聚丁二烯、聚醚、3,3-双(叠氮甲基)环氧丁烷-四氢呋喃共聚物中的一种或一种以上的混合物；所述的氧化剂为高氯酸铵、硝酸铵、黑索今、奥克托金、fox-7、cl-20、tkx-50、二硝酰胺铵盐、硝仿肼中的一种或一种以上的混合物；所述的固体燃料为铝粉、镁粉、硼粉或镁铝合金粉中的一种或一种以上的混合物；所述的固化剂为ipdi、tdi、mapo中一种或两种以上的混合物。
所述的氧化剂等固体物料的颗粒直径小于0.5mm。
所述的光敏树脂用量占推进剂总质量的2～20％。
所述的主粘合剂用量占推进剂总质量的8～40％。
所述的氧化剂用量占推进剂总质量的40～85％。
所述的固体燃料用量占推进剂总质量的0％～30％。
所述的固化剂用量占推进剂总质量的0.5％～5％。
步骤2、将步骤1混合均匀后的物料输送到挤出喷头处进行连续挤出。
所述的混合均匀后的物料是采用螺杆式输送方式或活塞式输送方式进行输送的。
步骤3、预先设计的推进剂立体模型输入到计算机中，采用切片软件进行切片处理，由3d打印软件系统控制挤出喷头进行按照切片软件规划的路径进行三维运动，挤出的物料连续地铺展到打印平台上，挤出的物料采用紫外光照射连续地进行预固化。采用紫外光照射时，紫外光强度为0.2mw/cm2到20mw/cm2。每完成一层物料的堆砌后喷头提高一个层厚，直到将物料堆砌成预先设计的推进剂形状。
紫外光是由紫外灯光源发出，采用光纤传送到打印平台的表面，传送紫外光的光纤出光接口与挤出喷头同步进行三维移动，在连续挤出物料的同时实现同步预固化。
喷头每抬高一层的距离为0.05～1.0mm，挤出喷头的水平运动速度小于200mm/s，挤出喷头的喷口直径为0.3～3.0mm。
步骤4、将步骤3打印得到的固体推进剂，置入恒温烘箱中进行后固化，固化完成后获得固体推进剂成品。
本发明将光敏树脂与固体推进剂的原料混合并通过活塞或者螺杆挤出，由计算机挤出喷头将物料按一定的路径和层厚进行填充和堆积，并用紫外光跟随物料挤出头进行照射使物料及时固化，会很好的解决原料体系流动性差、透光性差、分散不均匀的问题，使得固化成型能够顺利成型。
为了更好地说明本发明的实施方法，下面进行举例阐述。
实施例1
选用环氧丙烯酸酯型光敏树脂作为辅助粘合剂，与端羟基聚丁二烯主粘合剂复合使用，氧化剂采用高氯酸铵，金属铝粉作为固体燃料，固化剂选用tdi。上述组分的质量百分含量分别为：光敏树脂5％，端羟基聚丁二烯12％，高氯酸铵72％，铝粉5％，tdi固化剂3％，其他组分3％。按上述物料称量好，采用捏合机混合均匀，将混合好的物料采用螺杆式挤出机送到成型喷头处进行连续挤出。预先设计的推进剂立体模型输入到计算机中，采用切片软件进行切片处理，由3d打印软件系统控制挤出喷头进行按照切片软件规划的路径进行三维运动，挤出的物料连续地铺展到打印平台上，挤出的物料采用紫外光照射连续地进行预固化。紫外光由紫外灯光源发出，采用光纤传送到打印平台的表面，传送紫外光的光纤出光接口与挤出喷头同步进行三维移动，在连续挤出物料的同时实现同步预固化。选用波长为245nm紫外灯作为光源，紫外光照射强度为5mw/cm2。每完成一层物料的堆砌后喷头提高一个层厚，直到将物料堆砌成预先设计的推进剂形状。成型好的样品置入恒温烘箱中进行后固化，固化完成后获得固体推进剂成品。样品密度为理论密度的96.5％。取样测试推进剂成品的拉伸强度为7.0mpa。图1为本发明工艺流程示意图。
为了做比较，采用同样的物料，用浇铸工艺制备的推进剂样品实测密度为理论值的96.8％，拉伸强度为7.6mpa。可以看出，采用传统的浇铸成型工艺制备的固体推进剂，无论密实性还是力学强度均没有本发明的方法制备的样品性能好。
实施例2
选用环氧丙烯酸酯型光敏树脂作为辅助粘合剂，与端羟基聚丁二烯主粘合剂复合使用，氧化剂采用高氯酸铵，金属铝粉作为固体燃料，固化剂选用tdi与mapo等质量比的混合物。上述组分的质量百分含量分别为：光敏树脂5％，端羟基聚丁二烯12％，高氯酸铵72％，铝粉5％，固化剂3.0％，其他组分3％。按上述物料称量好，采用捏合机混合均匀，将混合好的物料采用螺杆式挤出机送到成型喷头处进行连续挤出。预先设计的推进剂立体模型输入到计算机中，采用切片软件进行切片处理，由3d打印软件系统控制挤出喷头进行按照切片软件规划的路径进行三维运动，挤出的物料连续地铺展到打印平台上，挤出的物料采用紫外光照射连续地进行预固化。紫外光由紫外灯光源发出，采用光纤传送到打印平台的表面，传送紫外光的光纤出光接口与挤出喷头同步进行三维移动，在连续挤出物料的同时实现同步预固化。选用波长为245nm紫外灯作为光源，紫外光照射强度为0.2mw/cm2。每完成一层物料的堆砌后喷头提高一个层厚，直到将物料堆砌成预先设计的推进剂形状。成型好的样品置入恒温烘箱中进行后固化，固化完成后获得固体推进剂成品。样品密度为理论密度的97.1％。取样测试推进剂成品的拉伸强度为7.6mpa。
实施例3
选用环氧丙烯酸酯型光敏树脂作为辅助粘合剂，与聚醚主粘合剂复合使用，氧化剂采用高氯酸铵，金属铝粉作为固体燃料，固化剂选用ipdi。上述组分的质量百分含量分别为：光敏树脂7％，聚醚10％，高氯酸铵72％，铝粉5％，固化剂2.0％，其他组分4％。按上述物料称量好，采用捏合机混合均匀，将混合好的物料采用活塞式挤出机送到成型喷头处进行连续挤出。预先设计的推进剂立体模型输入到计算机中，采用切片软件进行切片处理，由3d打印软件系统控制挤出喷头进行按照切片软件规划的路径进行三维运动，挤出的物料连续地铺展到打印平台上，挤出的物料采用紫外光照射连续地进行预固化。紫外光由紫外灯光源发出，采用光纤传送到打印平台的表面，传送紫外光的光纤出光接口与挤出喷头同步进行三维移动，在连续挤出物料的同时实现同步预固化。选用波长为365nm的紫外灯作为光源，紫外光照射强度为20mw/cm2。每完成一层物料的堆砌后喷头提高一个层厚，直到将物料堆砌成预先设计的推进剂形状。成型好的样品置入恒温烘箱中进行后固化，固化完成后获得固体推进剂成品。样品密度为理论密度的97.4％。取样测试推进剂成品的拉伸强度为6.4mpa。
实施例4-12
采用与实施例1相同的过程，改变光敏树脂的种类和用量、氧化剂的种类和用量、固体燃料金属粉的种类和用量、主粘合剂的用量等进行对比试验，主粘合剂全部选用3,3-双(叠氮甲基)环氧丁烷-四氢呋喃共聚物，其他参数都与实施例1相同，制备推进剂的物料配比、密度和力学性能如下表所示。
从实施例4-12的结果可以看出，选用不同的光敏树脂，与传统的复合固体推进剂配方复合使用，可以制备得到密实型和力学性能较好的推进剂样品。
实施例13-18
采用与实施例1相同的成型工艺过程和工艺参数，仅改变配方中主粘合剂的种类，制备的推进剂密度和力学性能如下表所示。
实施例19-24
采用与实施例1相同的成型工艺过程和工艺参数，仅成型时的工艺参数，制备的推进剂密度和力学性能如下表所示。
从实施例19-24的结果可以看出，采用不同的工艺参数都可以制得密实型和力学强度等综合性能良好的固体推进剂。
通过以上实例可以看出，采用本发明方法制备固体推进剂，工艺过程操作简单，不需要准备模具，可以显著提高推进剂成型效率，用于制备常规工艺难以制备的特殊形状推进剂的样品。