一種用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法
【專利摘要】本發明公開了用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，將步驟構建的三維CAD模型導入到激光選區燒結設備的控制系統中，依據模型進行樹脂模具的增材制造；將所制備的含有造孔劑的樹脂模具除去造孔劑，獲得具有流道系統的多孔結構樹脂模具，以用于陶瓷注漿成形。利用樹脂材料和造孔劑的混合體系配方作為原材料，采用激光選區燒結工藝制造用于陶瓷注漿成形的具有可控流道體系的多孔樹脂模具，實現陶瓷注漿成形模具的快速開發和制造，降低陶瓷注漿模具的開發成本，提高陶瓷注漿成形模具的質量。
【專利說明】一種用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于增材制造、陶瓷成形【技術領域】，涉及一種用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法。
【背景技術】
[0002]目前，在我國衛生陶瓷行業，石膏模具是注漿、滾壓、旋壓等陶瓷成形過程中不可缺少的輔助工藝部件，占中國陶瓷模具市場的90%以上。然而，石膏模具壽命短、反復使用率很低(90次左右)；制造工藝較為復雜，需要多次翻制；生產效率低下，限制了我國衛生陶瓷行業的生產效率和制造水平。因此，采用高壓樹脂模具代替傳統石膏模具已成為陶瓷注漿技術的發展趨勢，高壓樹脂模具主要采用以樹脂為基礎的微孔結構樹脂材料，具有強度高、韌性好、表面光潔、孔隙率可控、使用壽命長、效率高以及成形質量高等優勢，比如高壓注漿設備與高壓樹脂模具配合，可實現面盆12-15分鐘成形一次，抽水馬桶25分鐘成形一次。我國暫時還沒有成熟的高壓樹脂模具制造技術，所采用的高壓樹脂模具多是從國外進口。同時，相比歐美簡約風格，我國消費者對產品款式需求呈現多樣化，衛生陶瓷企業轉換產品款式的頻率較高。進口模具材料制備困難、加工復雜、成本昂貴，制約了高壓注漿工藝在我國的發展，使得陶瓷產業轉型升級陷入困境。
[0003]陶瓷成形用多孔樹脂模具的研究在國外起步較早，始于上世紀60年代。80年代初，裝有多孔樹脂模具的高壓注漿機就已投入了使用。1982年，德國道爾斯特(DORST)公司與瑞士勞芬(LAUFEN)公司合作，首次研制出使用多孔樹脂模具的高壓注漿成形技術，用于衛生陶瓷的注漿成形，其可承受壓力可達1.5?2.0MPa080年代末，前蘇聯的Liburkin V.G以聚氯乙烯為主要原料，加入環氧樹脂和酚醛樹脂的共聚物和陶土制備了多孔樹脂模具，同時期，法國的Gaillard Jean Marie以環氧樹脂和無機填料制備類似的多孔樹脂模具。90年代初，日本新榮機工株式會社(NIKKO)，以聚氨酯為原料制備出了高壓多孔模具。目前，擁有多孔樹脂模具技術的國外企業還有:意大利薩克米公司(SACMI)和西蒂公司(SITI)，德國斯瑪特新材料技術有限公司，英國鮑威爾集團公司(P0RVAIR)，日本伊奈公司(INAX)、SAGA、NGK等。該類高壓樹脂模具具有用于陶瓷漿料水分滲出及壓縮空氣通入脫模的復雜結構流道，國外現有技術多采用數控加工方式進行制造，只適用于結構簡單的衛生陶瓷成形，不符合我國衛生陶瓷產品結構復雜、多樣化的需求特點。
[0004]在國內，80年代末，高安軍、王義寬等人利用環氧樹脂和酚醛樹脂等主要原料，制備了用于滾壓成形的模具。90年代末，湖南塑料研究所的李鐵軍等人以聚氯乙烯為原料，研制了多孔樹脂成形模具，以替代原有的石膏模具。2006年，山東輕工業學院的武光等人采用自制的乳化劑乳化環氧樹脂等材料，制備了用于高壓注漿的多孔樹脂模具。目前，國內關于該技術的研究基本上還處在理論研究階段，未見有自主研發的商品化高壓注漿樹脂模具產品。國內多數相關產品均是從國外引進，其價格昂貴，使得高壓注漿成形難以在我國廣泛推廣，從而影響到整個陶瓷行業的轉型升級。
[0005]增材制造是近年來新興的先進制造技術，通過逐層累加的方法進行制造，改變了對原材料坯體進行切削加工、組裝的模式，可實現傳統制造工藝難以成形的復雜結構零件快速制造，且可以滿足對產品的單件個性化需求。2000年，新加坡南洋理工大學機械工程學院的K F Leong, K K S Phua等人使用選擇性激光燒結技術以聚合物為基體制備了多微孔的藥物輸送裝置(DDDs)。2007年英國倫敦大學材料與化學中心V.Shishkovsky,L.T.Volova等人通過選擇性激光燒結技術用鈦與鎳鈦材料制作了多孔的生物植入物和組織支架。2010 年,George W.Woodruff 大學機械工程學院的 Shaun Eshragh1、Suman Das 等人采用選擇性激光技術，以聚已酸內酯為原料燒結出了具有微觀多孔結構的正交支架。

【發明內容】

[0006]本發明解決的問題在于提供一種用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，采用激光選區燒結技術進行高壓注漿多孔樹脂模具的制造方法，制造用于陶瓷注漿成形的具有可控流道體系的多孔樹脂模具。
[0007]本發明是通過以下技術方案來實現:
[0008]一種用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，包括以下操作:
[0009]I)根據陶瓷制品的結構設計相應的多孔樹脂模具，構建其三維CAD模型，并在三維CAD模型中設計陶瓷注漿成形排水用流道系統；
[0010]2)根據陶瓷制品和陶瓷注漿的工藝要求，制定多孔樹脂模具的多孔性能指標；
[0011]3)根據所制定的多孔性能指標選擇樹脂與造孔劑，并確定樹脂和造孔劑的配比；
[0012]4)按配比將顆粒或粉末狀的樹脂、造孔劑均勻混合，作為激光選區燒結設備原材料；
[0013]5)將步驟I)構建的三維CAD模型導入到激光選區燒結設備的控制系統中，依據模型進行樹脂模具的增材制造；
[0014]6)將所制備的含有造孔劑的樹脂模具除去造孔劑，獲得具有流道系統的多孔結構樹脂模具，以用于陶瓷注漿成形。
[0015]使用計算機輔助設計軟件進行多孔樹脂模具模型的設計，以及陶瓷注漿過程中用于排水的流道系統的設計。
[0016]所述的流道系統分布于陶瓷制品成形面的下層，并根據陶瓷制品對壁厚的要求來匹配相應流道分布的疏密，形成復雜流道，以控制陶瓷注漿成形過程失水的快慢。
[0017]所述的多孔樹脂模具的設計包括不含模芯的單面注漿模具，以及由模具和模芯組成的雙面注漿模具。
[0018]所述的多孔樹脂模具的多孔性能指標依據陶瓷注漿用漿料的流動性、懸浮性、滲透性以及陶瓷制品的結構特征來制定。
[0019]所述的多孔性能指標包括孔隙率和孔隙直徑的要求，其中孔隙率要求大于20%，孔隙直徑要求小于IOym;
[0020]所述的孔隙率為小=(%/\)父100%，其中Vp表示多孔樹脂模具內的微小空隙的總體積，Vb表示多孔樹脂模具的總體積。
[0021]所述的樹脂為熱塑性樹脂顆粒或粉末，所述的造孔劑為水溶性、醇溶性或脂溶性的顆粒或粉末。
[0022]所述的樹脂為尼龍樹脂、ABS樹脂、PEEK樹脂中的一種或幾種。[0023]所述在進行激光選區燒結時根據樹脂與造孔劑的熔點、熱膨脹系數、多孔樹脂模具的結構來確定激光功率、掃描速度和預熱溫度。
[0024]所述在進行激光選區燒結時，激光功率、掃描速度和預熱溫度還根據多孔樹脂模具的定制要求在不同部位進行調整。
[0025]與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果和顯著的技術優點:
[0026]本發明提供的用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，以樹脂、造孔劑混合體系配方為原材料，采用激光選區燒結工藝，可實現具有復雜曲面結構的陶瓷模具的快速精確成形，大大提高陶瓷注漿模具的開發效率并降低其開發成本，還可以實現陶瓷注漿模具復雜排水流道的加工制造，所形成的復雜流道系統，能夠根據陶瓷制品的幾何形狀確定流道系統結構以保持陶瓷注漿成形過程中失水的均勻性，實現對陶瓷注漿成形零件表面平整度和壁厚均勻性等性能的優化；在保證壁厚均勻性的基礎上，還可以通過流道系統的改變獲取符合陶瓷制品對不同部位不同壁厚的要求。從而保證了陶瓷模具的定制化要求，提高陶瓷產品的質量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為陶瓷沖水馬桶零件注漿成型模具復雜可控流道系統示意圖。
【具體實施方式】
[0028]本發明提供的一種用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具的增材制造方法，基于激光選區燒結技術，利用樹脂和造孔劑混合體系配方作為激光選區燒結技術的材料，進行陶瓷注漿多孔樹脂模具的快速開發和制造。該工藝可實現復雜陶瓷注漿模具及其排水流道系統的快速開發和制造，大大提高陶瓷注漿模具的開發效率并降低其開發成本。
[0029]所提供的用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具的增材制造方法，包括以下操作:
[0030]I)根據陶瓷制品的結構設計相應的多孔樹脂模具，構建其三維CAD模型，并在三維CAD模型中設計陶瓷注漿成形排水用流道系統；
[0031]2)根據陶瓷制品和陶瓷注漿的工藝要求，制定多孔樹脂模具的多孔性能指標；
[0032]3)根據所制定的多孔性能指標選擇樹脂與造孔劑，并確定樹脂和造孔劑的配比；
[0033]4)按配比將顆粒或粉末狀的樹脂、造孔劑均勻混合，作為激光選區燒結設備原材料；
[0034]5)將步驟I)構建的三維CAD模型導入到激光選區燒結設備的控制系統中，依據模型進行樹脂模具的增材制造；
[0035]6)將所制備的含有造孔劑的樹脂模具除去造孔劑，獲得具有流道系統的多孔結構樹脂模具，以用于陶瓷注漿成形。
[0036]進一步的，所述的流道系統分布于陶瓷制品成形面的下層，并根據陶瓷制品對壁厚的要求來匹配相應流道分布的疏密，形成復雜流道，以控制陶瓷注漿成形過程失水的快慢。
[0037]所述的多孔樹脂模具的設計包括不含模芯的單面注漿模具，以及由模具和模芯組成的雙面注漿模具。
[0038]所述的多孔樹脂模具的多孔性能指標依據陶瓷注漿用漿料的流動性、懸浮性、滲透性以及陶瓷制品的結構特征來制定。
[0039]所述的多孔性能指標包括孔隙率和孔隙直徑的要求，其中孔隙率要求大于20%，孔隙直徑要求小于IOym;
[0040]所述的孔隙率為Φ = (VP/VB) X 100%，其中Vp表示多孔樹脂模具內的微小空隙的總體積，Vb表示多孔樹脂模具的總體積。
[0041]所述的樹脂為熱塑性樹脂顆粒或粉末，所述的造孔劑為水溶性、醇溶性或脂溶性的顆粒或粉末。具體的所述的樹脂為尼龍樹脂、ABS樹脂、PEEK樹脂中的一種或幾種。
[0042]在進行激光選區燒結時根據樹脂與造孔劑的熔點、熱膨脹系數、多孔樹脂模具的結構來確定激光功率、掃描速度和預熱溫度。進一步，在進行激光選區燒結時，激光功率、掃描速度和預熱溫度還根據多孔樹脂模具的定制要求在不同部位進行調整。
[0043]下面結合具體的實施例對本發明做進一步的詳細說明，所述是對本發明的解釋而不是限定。
[0044]實施例1
[0045]采用樹脂、造孔劑混合體系配方的激光選區燒結快速成形技術制備沖水馬桶的多孔樹脂模具，包括以下步驟:
[0046]I)根據沖水馬桶的尺寸、結構和性能要求，設計其樹脂模具(包含注漿工藝中排水用的流道系統)，然后利用Pro/E軟件構建三維CAD模型(參照圖1)并存儲為STL格式；
[0047]2)根據該產品所指定的陶瓷注漿工藝的要求，陶瓷漿料的流動性速度為(170±50s)/100mL，含水量為30%_35%，密度為1.65-1.9g/cm。據此，確定多孔樹脂模具的性能指標為:微孔尺寸2.0?3.5 μ m，孔隙率25?30% ；
[0048]3)根據確定的多孔樹脂模具的性能指標，使用尼龍材料作為樹脂材料，使用PVP粉末作為水溶性造孔劑，并確定二者質量配比為1:0.36 ;
[0049]4)將所選樹脂材料和造孔劑按比例混合均勻作為原材料裝入激光選區燒結設備的鋪粉裝置中；
[0050]5)將存儲的STL格式的模具三維CAD模型導入到激光選區燒結設備中，通過設備軟件設定激光功率為200W，掃描速度500mm/s，預熱溫度50°C，由設備軟件自動生成加工控制代碼進行模具的增材制造，得到沖水馬桶的陶瓷注漿模具“綠件”。
[0051]6)將得到的模具“綠件”，采取浸水的方式進行處理，去除模具中的造孔劑，獲得用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具。
【權利要求】
1.一種用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，其特征在于，包括以下操作: 1)根據陶瓷制品的結構設計相應的多孔樹脂模具，構建其三維CAD模型，并在三維CAD模型中設計陶瓷注漿成形排水用流道系統； 2)根據陶瓷制品和陶瓷注漿的工藝要求，制定多孔樹脂模具的多孔性能指標； 3)根據所制定的多孔性能指標選擇樹脂與造孔劑，并確定樹脂和造孔劑的配比； 4)按配比將顆粒或粉末狀的樹脂、造孔劑均勻混合，作為激光選區燒結設備原材料； 5)將步驟I)構建的三維CAD模型導入到激光選區燒結設備的控制系統中，依據模型進行樹脂模具的增材制造； 6)將所制備的含有造孔劑的樹脂模具除去造孔劑，獲得具有流道系統的多孔結構樹脂模具，以用于陶瓷注漿成形。
2.如權利要求1所述的用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，其特征在于，使用計算機輔助設計軟件進行多孔樹脂模具模型的設計，以及陶瓷注漿過程中用于排水的流道系統的設計。
3.如權利要求1所述的用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，其特征在于，所述的流道系統分布于陶瓷制品成形面的下層，并根據陶瓷制品對壁厚的要求來匹配相應流道分布的疏密，形成復雜流道，以控制陶瓷注漿成形過程失水的快慢。
4.如權利要求1所述的用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，其特征在于，所述的多孔樹脂模具的設計包括不含模芯的單面注漿模具，以及由模具和模芯組成的雙面注漿模具。
5.如權利要求1所述的用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，其特征在于，所述的多孔樹脂模具的多孔性能指標依據陶瓷注漿用漿料的流動性、懸浮性、滲透性以及陶瓷制品的結構特征來制定。
6.如權利要求5所述的用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，其特征在于，所述的多孔性能指標包括孔隙率和孔隙直徑的要求，其中孔隙率要求大于20%，孔隙直徑要求小于10μL? ; 所述的孔隙率為小=(/\)\100%，其中VP表示多孔樹脂模具內的微小空隙的總體積，Vb表示多孔樹脂模具的總體積。
7.如權利要求1所述的用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，其特征在于，所述的樹脂為熱塑性樹脂顆粒或粉末，所述的造孔劑為水溶性、醇溶性或脂溶性的顆粒或粉末。
8.如權利要求1所述的用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，其特征在于，所述的樹脂為尼龍樹脂、ABS樹脂、PEEK樹脂中的一種或幾種。
9.如權利要求1所述的用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，其特征在于，在進行激光選區燒結時根據樹脂與造孔劑的熔點、熱膨脹系數、多孔樹脂模具的結構來確定激光功率、掃描速度和預熱溫度。
10.如權利要求1或9所述的用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，其特征在于，在進行激光選區燒結時，激光功率、掃描速度和預熱溫度還根據多孔樹脂模具的定制要求在不同部位進行調整。
【文檔編號】B28B7/46GK103895224SQ201410083600
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月7日 優先權日:2014年3月7日
【發明者】田小永, 周暢, 李滌塵, 曹毅 申請人:西安交通大學