Способ изготовления полимерного изделия на трехмерном принтере

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для изготовления широкого спектра изделий из полимерных материалов, в том числе и модельной оснастки для использования ее в литейных формах. Способ включает послойное наплавление изделия полимерным материалом. В процессе наплавления в изделии формируют прямолинейные или плавно искривляющие внутренние каналы, которые заполняют армирующим полимерным материалом с отвердителем. В качестве такого армирующего материала используют предварительно нагретую полиуретановую смолу, в которую вводят порошок волластонина в количестве 20% от массы смолы. Использование изобретения позволяет обеспечить возможность изготовления крупногабаритных и геометрически сложных изделий и повысить их прочностные, а также жесткостные характеристики.

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для изготовления широкого спектра изделий из полимерных материалов, в том числе и модельной оснастки для использования ее в литейных формах.

Известен способ изготовления изделий, включающий механическую обработку изделий механическим инструментом на пятикоординатных обрабатывающих центрах с ЧПУ (см. сайт stanok-park.ru). Использование данного способа позволяет изготавливать изделия практически любой степени сложности. Однако для изготовления изделий на таких центрах требуется значительные средства, обусловленные не только работой дорогостоящего центра, но и необходимостью создания сложного программного обеспечения для каждого изделия.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления изделия на трехмерном принтере, включающий послойное наплавление изделия полимерным материалом с формированием в изделии прямолинейных или плавно искривляющихся каналов, которые заполняют армирующим полимерным материалом с отвердителем, а также последующее охлаждение готового изделия (см. патент WO 2016146374, кл. В29С 67/00, 2016 г.). Недостатком известного способа изготовления изделий из полимерных материалов является невозможность изготовления изделий, особенно крупногабаритных и со сложной геометрией, с заданными усиленными прочностными и жесткостными характеристиками. Такие характеристики требуются для изделий из полимерных материалов при их транспортировке, манипулировании с помощью грузозахватных приспособлений, ударном воздействии на оснастку при извлечении ее из литейных форм и для многих других ситуаций. Армирующие полимерные материалы после отверждения не обладают достаточной жесткостью и нужными прочностными характеристиками, что не дает возможности обеспечить эти параметры для изделия в целом.

Целью данного изобретения является обеспечение возможности изготовления крупногабаритных и геометрически сложных полимерных изделий и повышение их прочностных, а также жесткостных характеристик.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе изготовления полимерного изделия на трехмерном принтере, включающем послойное наплавление изделия полимерным материалом с формированием в изделии прямолинейных или плавно искривляющихся каналов, которые заполняют армирующим полимерным материалом с отвердителем и последующее охлаждение готового изделия, в нем в качестве армирующего полимерного материала используют предварительно нагретую полиуретановую смолу, в которую вводят порошок волластонина в количестве 20% от массы смолы.

В качестве армирующих материалов необходимо использовать синтетические материалы, обладающие хорошей адгезией с основным полимерным материалом. К таким материалам относится полиуретановая смола, получаемая путем взаимодействия полифункциональных изоциантов с соединениями, содержащими гидроксильные группы. Полиуретановая смола применяется для закрытия или наполнения сухих и влажных трещин. Ее специфической особенностью является низкая вязкость. Благодаря низкой вязкости и высокой гидрофильности она отлично проникает даже в микротрещины и микроканалы и способна на долговечное герметичное соединение с закрытой структурой пор и каналов. Введение в полиуретановую смолу волластонита позволяет еще больше усилить армирующие свойства этой смолы. Дело в том, что частицы волластонита - это зерна в форме игольчатого кристалла с ярко выраженной пространственно-геометрической анизотропностью. Именно такая форма частицы позволяет использовать волластонит в качестве многоцелевого микроармирующего наполнителя. Длина иголок волластонита составляет до 200 микрон. При этом отношение длины волокна к его диаметру достигает 20:1. Введение волластонита в полиуретановую смолу позволяет увеличить прочность и срок годности изделий, которые содержат эту композицию. Волластонит проявляет высокие показатели: прочность на растяжение, сжатие, эластичность, ударную стойкость и жесткость. Исследования показали, что оптимальное количество волластонита в полиуретановой смоле - 20% от массы смолы.

Заполнение каналов полиуретановой смолой осуществляют совместно с отвердителем. Соотношение между массой смолы и отвердителя определяется маркой отвердителя и необходимыми свойствами композиции после отверждения.

Для улучшения адгезии полиуретановой смолы, как армирующего материала, с полимерным материалом изделия смолу предварительно нагревают.

Пример реализации предлагаемого способа

Изготавливается изделие «оснастка» для дальнейшего использования его при отливке обтекателя полусферической формы с максимальным диаметром 560 мм и толщиной 24 мм. Материал изделия - полимерный материал ABS. Армирующий материал - полиуретановая смола с добавлением волластонита в количестве 20% от массы смолы. Учитывая несложную геометрию обтекателя изделие сначала изготавливается на трехмерном принтере полностью. В процессе изготовления методом послойного наплавления в изделии формируют плавно искривляющиеся каналы диаметром 6 мм, которые лежат в плоскости, перпендикулярной центральной оси изделия. Расстояние между плоскостями с каналами - 25 мм. Каналы располагаются на равном расстоянии от внешней и внутренней поверхности изделия. При этом сами плавно искривляющиеся каналы соединены с наружной поверхностью дополнительными каналами диаметром 2 мм и длиной порядка 10 мм в количестве двух штук в каждой плоскости. Формирование дополнительных каналов связано с необходимостью введения через них армирующего материала. Введение полиуретановой смолы с волластонитом в изделие производится следующим образом. В емкости осуществляют равномерное перемешивание полиуретановой смолы марки PU22 с волластонитом и отвердителем марки HU22. Емкость с композицией нагревают до температуры 45°C. Далее композицию в течение 10-15 минут два оператора при помощи шприцов вводят в изделие через дополнительные каналы. Отверждение композиции в изделии происходит в течение одного часа после ее введения. Через сутки после полного охлаждения изделие готово для его использования в работе.

Использование предлагаемого изобретения позволяет существенно повысить как прочность изготавливаемых изделий из полимерных материалов, так и их жесткость. Особенно решение этой проблемы остро стоит для крупногабаритных изделий и изделий сложной геометрии. Армирование таких полимерных изделий позволяет исключить их разрушение (полное или частичное, например, сколы), термическую деформацию, образование вмятин и др. Армирование изделий в процессе их изготовления на трехмерном принтере обеспечивает повышение прочности и жесткости изделий, а также повышение надежности их работы.

Способ изготовления полимерного изделия на трехмерном принтере, включающий послойное наплавление изделия полимерным материалом с формированием в изделии прямолинейных или плавно искривляющихся каналов, которые заполняют армирующим полимерным материалом с отвердителем, а также последующее охлаждение готового изделия, отличающийся тем, что в качестве армирующего полимерного материала используют предварительно нагретую полиуретановую смолу, в которую вводят порошок волластонина в количестве 20% от массы смолы.