Композитное пористое изделие (варианты)

Группа изобретений относится к пористым композитным материалам и может применяться в таких отраслях промышленности, как машиностроение, медицина, строительство, электроэнергетика, космонавтика. Композитное пористое изделие, включающее пористое тело, изготовленное аддитивным методом, поры которого сформированы в заданном порядке методом 3D-печати в виде связанной системы и по меньшей мере часть которых заполнена текучим твердеющим со временем материалом. Композитное пористое изделие, включающее пористое тело, изготовленное аддитивным методом, поры которого сформированы в заданном порядке методом 3D-печати в виде двух и более связанных систем, изолированных друг от друга, и по меньшей мере одна из систем заполнена текучим твердеющим со временем материалом. Композитное пористое изделие, включающее пористое тело, изготовленное аддитивным методом, поры которого сформированы в заданном порядке методом 3D-печати в виде двух и более связанных систем, изолированных друг от друга, по меньшей мере одна из которых полностью изолирована и по меньшей мере одна из систем заполнена текучим твердеющим со временем материалом. Техническим результатом заявленной группы изобретений является создание композитного пористого изделия со сложной внутренней структурой и внешней геометрической формой, физические характеристики и параметры которого выдержанны с высокой точностью, повышение качества композитного пористого изделия, упрощение технологии, сокращение трудозатрат и времени на его производство и, как следствие, расширение области применения композитных пористых изделий. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Изобретение относится к пористым композитным материалам и может применяться в таких отраслях промышленности как машиностроение, медицина, строительство, электроэнергетика, космонавтика.

Известен способ упрочнения пористых изделий, изготовленных методом 3Д-печати, посредством пропитки пористой структуры этих изделий текучим твердеющим материалом (см. патент US10773456B2). С помощью известного способа можно получать довольно прочные изделия сложной формы, но при этом прочностные свойства будут носить непредсказуемый характер в связи со случайным распределением пор по объёму изделия. Хаотичное распределение пор так же не позволит в полной мере контролировать процесс распределения текучего материала по поровому пространству 3Д-изделия. Также недостатком известного способа является дополнительная механическая обработка изделия после отверждения текучего материала в виде зачистки внешних поверхностей, через которые осуществлялась пропитка изделия.

Известен способ пропитки пористых изделий, изготовленных методом 3Д-печати, термопластичным текучим твердеющим материалом (см. патент US10442158B2). Недостатки известного способа заключаются в плохом качестве пропитки пористой структуры изделия, что связано с высокой вязкостью термопластичного материала. Улучшение качества пропитки может быть достигнуто повышением давления пропитки, но при этом увеличивается вероятность повреждения неоднородной пористой структуры. Поровое пространство представлено в виде сложной нерегулярной системы пор, осложняющей процесс пропитки и ухудшающий её качество.

Наиболее близкое техническое решение к заявляемому изобретению описано в патенте РФ № 2723684 и принято в настоящей заявке за прототип. В известном решении описывается способ формирования пористых изделий в формообразующем устройстве. Изделие предварительно печатают на 3Д-принтере, создают в изделии проницаемую пористую структуру, фиксируют в формообразующем устройстве, а поровое пространство заполняют текучим твердеющим со временем материалом. Изделие, сформированное по известному способу, обладает хорошими характеристиками, может иметь сложную геометрическую форму, но при этом обладает рядом недостатков. Случайный порядок пористой структуры не позволяет создать пористое изделие с определёнными эксплуатационными свойствами. Пропитка известного изделия может иметь трудности в связи с наличием большого количества изолированных и тупиковых пор. Пропитка таких пор может быть осуществлена за счёт повышенного давления, что может привести к разрушению всего порового пространства. По известному способу также требуется дополнительная оснастка, что усложняет процесс производства.

Задачи изобретения заключаются в разработке композитного пористого изделия, обладающего эксплуатационными свойствами недоступными ранее для композитных пористых изделий и, как следствие, расширении области применения композитных пористых изделий, разработке композитного пористого изделия, в котором заданные характеристики выдержанны с высокой точностью, повышении качества композитного пористого изделия, упрощении технологии, сокращении трудозатрат и времени на его производство.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигается за счет создания композитного пористого изделия, включающего пористое тело, изготовленное аддитивным методом, поры которого сформированы в заданном порядке в виде связанной системы, и, по меньшей мере, часть которых заполнена текучим твердеющим со временем материалом.

Формирование связанной системы пор в заданном порядке позволит обеспечить точное соответствие свойств готового изделия проекту и выдержать заданные характеристики с высокой точностью. Также формирование связанной системы пор в заданном порядке позволит обеспечить качественную пропитку (заполнение) изделия текучим твердеющим со временем материалом при минимальном давлении пропитки, предотвратить разрушение системы пор при пропитке и гарантировать отсутствие незаполненных пор, что обеспечит повышение качества изделия, упрощение технологии его изготовления и сокращение трудозатрат. Использование аддитивного метода позволит качественно, технологично и с высокой повторяемостью изготавливать пористые тела.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигается так же за счёт создания композитного пористого изделия, включающего пористое тело, изготовленное аддитивным методом, поры которого сформированы в заданном порядке в виде двух и более связанных систем, изолированных друг от друга, и, по меньшей мере, одна из систем заполнена текучим твердеющим со временем материалом.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигается так же за счёт создания композитного пористого изделия, включающего пористое тело, изготовленное аддитивным методом, поры которого сформированы в заданном порядке в виде двух и более связанных систем, изолированных друг от друга, по меньшей мере, одна из которых полностью изолирована от внешней среды и, по меньшей мере, одна из систем заполнена текучим твердеющим со временем материалом.

Формирование системы пор в заданном порядке в виде двух и более изолированных друг от друга систем, по меньшей мере, одна из которых заполнена текучим твердеющим со временем материалом или, по меньшей мере, одна из которых полностью изолирована, позволит создавать пористые изделия с недоступными ранее характеристиками и градиентами характеристик за счет точно заданной и выдержанной частичной пропитки. Возможно получение новых характеристик как в области прочностных свойств, в том числе заданных картин разрушения детали, так и в области весовых характеристик, в частности смещение центра тяжести детали и его осей.

Возможно исполнение композитного пористого изделия, в котором различные системы пор заполнены различными по своим свойствам текучими твердеющими материалами, что так же позволит создавать пористые изделия с недоступными ранее характеристиками и градиентами характеристик, за счет точно заданной и выдержанной пропитки различными материалами. Например, часть изделия может быть заполнена твердой и прочной эпоксидной смолой, в том числе с армированием фиброй, а часть изделия силиконом или резиной выполняющей функцию демпфера.

Исполнение композитного пористого изделия, в котором пористое тело имеет частично непроницаемую оболочку, позволит упростить технологию его изготовления и сократить трудозатраты и время на его производство за счет того, что не потребуется герметизация при пропитке и дополнительная обработка поверхности после пропитки.

Исполнение композитного пористого изделия, в котором поры сформированы в виде однородной системы параллельных капилляров, или в котором поры сформированы в виде системы капилляров с дисперсией диаметров, углов наклона, местных сопротивлений или эксцентриситетов или с комбинацией указанных дисперсий, или в котором поры сформированы в виде регулярных сетевых систем капилляров, или в котором поры сформированы в виде регулярной системы частиц, представляющих собой объемные фигуры или в котором частицы имеют различные размеры и формы, или в котором поры сформированы в виде системы имеющей анизотропию, по меньшей мере, в одном направлении, или в котором поры сформированы в виде системы имеющей фрактальную структуру, или в котором поры сформированы в виде системы, в которой выполняется обобщённый закон Мюррея, или в котором поры сформированы в виде системы, включающей в себя одновременно, по меньшей мере, два перечисленных выше признака, или в котором для различных связанных систем пор выполняются различные перечисленные выше признаки позволит создавать пористые изделия с недоступными ранее характеристиками и градиентами характеристик за счет заданной и выдержанной пропитки и точно заданных и выдержанных систем со сложной геометрией, в том числе при пропитке разными материалами.

Исполнение композитного пористого изделия, в котором текучий твердеющий материал представляет собой многокомпонентный состав, позволит упростить технологию изготовления за счет точного подбора вязкости и времени жизни состава.

Исполнение композитного пористого изделия, в котором пористое тело изготовлено из различных материалов, позволит создавать пористые изделия с недоступными ранее характеристиками и градиентами характеристик за счет комбинации материалов в одном изделии.

Изобретение поясняется следующими фигурами и описанием.

Фиг.1 – композитное пористое изделие, поры которого сформированы в заданном порядке в виде одной связанной системы.

Фиг.2 - композитное пористое изделие, поры которого сформированы в виде трёх связанных систем, изолированных друг от друга.

Фиг.3 - композитное пористое изделие с пористой системой из параллельных капилляров.

Фиг.4 – вариант исполнения капиллярной системы композитного изделия с дисперсией диаметров и углов наклона.

Фиг.5 - вариант исполнения капиллярной пористой системы композитного изделия с местными сопротивлениями.

Фиг.6 – вариант исполнения капиллярной пористой системы композитного изделия из нескольких слоёв разнородных материалов.

Фиг.7 - вариант исполнения капиллярной пористой системы композитного изделия

в виде регулярной сетевой системы капилляров.

Фиг.8 - вариант исполнения пористой системы композитного изделия в виде матричной системы сферических частиц.

Фиг.9 - вариант исполнения пористой системы композитного изделия в виде матричной системы, сформированной из многогранников в виде сотовой структуры.

Фиг.10 - вариант исполнения пористой системы композитного изделия в виде системы разветвлённых капилляров.

На фиг. 1 показан общий вид композитного пористого изделия (1), которое включает тело (2) изготовленное методом 3D-печати и поры (3), которые выполнены в определённом порядке виде связанной системы из нескольких упорядоченных рядов и столбцов. При этом поры (3) заполнены текучим твердеющим со временем материалом (4).

Метод 3D-печати позволяет выдержать равные расстояния L1 между рядами пор, а так же выдержать равное расстояние сдвига L2 между столбцами пор. Диаметры всех пор системы выполнены одним заданным диаметром D1.

На фиг. 2 показано композитное пористое изделие (1), включающее тело (2), изготовленное методом 3D-печати и поры (3), которые выполнены в виде трёх изолированных друг от друга связанных систем: связанная система (5), связанная система (6), связанная система (7). Поры связанных систем (5) и (7) выполнены одной геометрической формы диаметра D1, но при этом каждая из этих систем заполнена различными по своим свойствам текучими твердеющими материалами. Пористая система (5) заполнена текучим твердеющим материалом (4), а пористая система (7) заполнена текучим твердеющим материалом (8).

Связанная система (6) содержит поры (3) по форме, отличающиеся от пор систем (5) и (6), при этом поры (3) полностью изолированы от внешней среды и имеют замкнутую структуру. Наличие изолированных систем позволяет обеспечить выборочную пропитку и в результате получить изделие с разнородными по своим свойствам участками.

На фиг. 3 показано композитное пористое изделие (1), включающее тело (2), изготовленное методом 3D-печати и поры (3), которые выполнены в виде пористой системы из параллельных капилляров, равномерно распределенных по объёму изделия. Капилляры имеют одинаковый диаметр D2, при этом центральные оси капилляров равноудалены друг от друга на расстояние L3. Поры (3) заполнены текучим твердеющим со временем материалом (4). Такой вариант исполнения позволит получить композитное изделие с явно выраженными анизотропными свойствами.

На фиг. 4 показан вариант исполнения композитного пористого изделия (1), включающий тело (2), изготовленное методом 3D-печати и поры (3), выполненные в виде капиллярной пористой системы, при этом пористая система содержит непересекающиеся капилляры с дисперсией диаметров D3, D4, D5, D6 и дисперсией углов наклона α1, α2, α3 друг к другу. При этом поры (3) заполнены текучим твердеющим со временем материалом (4).

На фиг. 5 показан вариант исполнения капиллярной пористой системы (3) композитного пористого изделия (1), выполненный в теле (2), изготовленном методом 3D-печати, в котором капилляры сформированы с дисперсией местных сопротивлений, выраженной в различных диаметрах и углах наклона, и заполнены текучим твердеющим со временем материалом (4).

На фиг. 6 показан вариант исполнения капиллярной пористой системы (3) композитного пористого изделия (1), выполненный в теле (2), изготовленном методом 3D-печати, в котором тело (2) сформировано в виде нескольких слоёв из разнородных материалов, при этом капилляры выполнены с дисперсией эксцентриситетов и диаметров и заполнены текучим твердеющим со временем материалом (4).

На фиг. 7 показаны варианты исполнения композитного пористого изделия (1) с регулярными сетевыми капиллярными системами (3), выполненными в теле (2), изготовленном методом 3D-печати, которые содержат множество пересечений и разветвлений, системы капилляров при этом заполнены текучим твердеющим со временем материалом (4). На плоскости такие варианты могут быть представлены в виде пересечений двух множеств капилляров. Один из вариантов (а) имеет коридорное расположение с взаимно перпендикулярным расположением систем капилляров, каждая из которых имеет разные диаметры капилляров, например D7 и D8. Другой вариант (б) содержит шахматное расположение, полученное из коридорного расположения сдвигом слоёв капилляров на расстояние L4. Ещё один вариант (в) может иметь диагональное расположение капилляров и получен поворотом капиллярной системы на угол α4 относительно направления потока заполнения пор твердеющим материалом.

На фиг. 8 показаны варианты исполнения композитного пористого изделия (1), содержащее тело (2), изготовленное методом 3D-печати, в котором пористая система сформирована в виде регулярной системы сферических частиц (3), заполненных текучим твердеющим со временем материалом (4). Такая система может быть охарактеризована углом упаковки β между прямой линией, соединяющей центры частиц в одном ряду и прямой соединяющей центры соседних частиц расположенных в разных рядах.

На фиг. 9 показан вариант исполнения композитного пористого изделия (1), содержащее тело (2), изготовленное методом 3D-печати, в котором матричная пористая система (3) тела (2) сформирована из частиц многогранников в виде сотовой структуры. Метод 3Д-печати позволяет точно выдержать одинаковые размеры сторон S1 многогранников, а так же расстояние между рядами многогранников L5 и столбцами L6, что позволит сформировать равномерную сотовую структуру и существенно повысить качество пропитки пористого тела (2) текучим твердеющим со временем материалом (4), а соответственно и качество самого изделия.

На фиг.10 показан вариант исполнения композитного пористого изделия (1), содержащее тело (2), изготовленное методом 3D-печати, в котором пористая система (3) тела (2) сформирована в виде систем разветвлённых капилляров. Такие системы подчинены обобщённому закону Мюррея, который определяет оптимальную геометрию распределения пор в теле (2)с минимальными энергозатратами на перенос твердеющего текучего материала и используется для проектирования большого числа пористых конструкционных материалов. Поровое пространство (3) представлено в виде трёх разветвлённых систем заполненных разными по своим свойствам текучими материалами (4) и (8).

Пористое изделие изготавливается следующим образом – по трехмерной модели аддитивным методом изготавливается пористое тело, для изготовления может быть применен любой метод аддитивного производства, тело может быть изготовлено из порошка металла или пластика, смолы, пластикового филамента, методом наплавки и другими методами. При необходимости выполняется постобработка пористого тела, например, удаляются поддержки, и выполняется промывка пористого тела от остатков смолы или порошка. Возможна сборка пористого тела из нескольких частей изготовленных отдельно, в том числе выполненных из разных материалов и с применением разных технологий. Подготовленное пористое тело заполняется текучим твердеющим со временем материалом. В случае использования различных материалов заполнение может выполняться как параллельно, так и последовательно. Заполнение также может выполняться различными способами, в самом простом случае – погружением, наиболее предпочтительными способами, по мнению авторов, являются вакуумная инфузия и RTM (подача материала под давлением). В случае вакуумной инфузии пористое тело может быть помещено в вакуумный мешок или, что более предпочтительно, заранее спроектировано с частично непроницаемой оболочкой, так что к проницаемым частям оболочки подключаются каналы для подачи материала и каналы вакуума, при этом непроницаемая оболочка выполняет функцию вакуумного мешка. Пропитка под давлением может выполняться в пресс-форме или аналогично пропитке вакуумом, с использованием частично непроницаемой оболочки. Так же возможны другие способы пропитки. После завершения пропитки выполняется отверждение материала, при котором могут быть получены дополнительные свойства, например, за счет отверждения в автоклаве или при повышенной температуре. После, при необходимости, выполняется удаление вспомогательных элементов – литниковых систем и т.п. и механическая обработка.

Пористое изделие, при необходимости, может содержать закладные элементы из металла или других материалов, например, крепежные резьбы.

В качестве текучего твердеющего со временем материала могут быть использованы термореактивные или термопластичные материалы, например, эпоксидные, полиэфирные, винилэфирные, силиконовые или полиамидные системы, а также другие многокомпонентные системы.

Таким образом, в результате разработки композитного пористого изделия, которое содержит тело, изготовленное аддитивным методом, и имеющего регулярную связанную систему пор, заполненную отвердевшим связующим, решается большой спектр технологических задач. Основным решением поставленной задачи является создание композитного пористого изделия с очень сложной внутренней структурой и внешней геометрической формой, физические характеристики и параметры которого имеют высокую заданную точность. Другой решенной задачей является существенное снижение трудозатрат на изготовление изделия, так как значительно уменьшается количество технологических операций. Также в процессе пропитки пористого тела не требуется специальная оснастка для фиксации изделия, поскольку её роль выполняет само пористое тело. Значительное сокращение временных затрат на производство изделия в связи с тем, что процесс изготовления пористого тела полностью оцифрован и вся пористая система сформирована с заданной точностью, при этом полностью исключается вероятность наличия в изделии случайных пор. Реализация пористой системы, в которой выполняется обобщённый закон Мюррея, позволит создавать изделия с оптимальной структурой распределения пор.

1. Композитное пористое изделие, включающее пористое тело, изготовленное аддитивным методом, поры которого сформированы в заданном порядке методом 3D-печати в виде связанной системы и по меньшей мере часть которых заполнена текучим твердеющим со временем материалом.

2. Композитное пористое изделие, включающее пористое тело, изготовленное аддитивным методом, поры которого сформированы в заданном порядке методом 3D-печати в виде двух и более связанных систем, изолированных друг от друга, и по меньшей мере одна из систем заполнена текучим твердеющим со временем материалом.

3. Композитное пористое изделие, включающее пористое тело, изготовленное аддитивным методом, поры которого сформированы в заданном порядке методом 3D-печати в виде двух и более связанных систем, изолированных друг от друга, по меньшей мере одна из которых полностью изолирована и по меньшей мере одна из систем заполнена текучим твердеющим со временем материалом.

4. Композитное пористое изделие по пп.1, 2 или 3, в котором пористое тело имеет частично непроницаемую оболочку.

5. Композитное пористое изделие по пп.1, 2 или 3, в котором поры сформированы в виде однородной системы параллельных капилляров.

6. Композитное пористое изделие по пп.1, 2 или 3, в котором поры сформированы в виде системы капилляров с дисперсией диаметров, углов наклона, местных сопротивлений или эксцентриситетов или с комбинацией указанных дисперсий.

7. Композитное пористое изделие по пп.1, 2 или 3, в котором поры сформированы в виде регулярной сетевой системы капилляров.

8. Композитное пористое изделие по пп.1, 2 или 3, в котором поры сформированы в виде регулярной системы частиц, представляющих собой объемные фигуры, при этом фигуры могут иметь различные размеры и формы.

9. Композитное пористое изделие по пп.1, 2 или 3, в котором поры сформированы в виде системы, имеющей анизотропию, по меньшей мере в одном направлении.

10. Композитное пористое изделие по пп.1, 2 или 3, в котором поры сформированы в виде системы, имеющей фрактальную структуру.

11. Композитное пористое изделие по пп.1, 2 или 3, в котором поры сформированы в виде системы, в которой выполняется обобщенный закон Мюррея.

12. Композитное пористое изделие по пп.1, 2 или 3, в котором поры сформированы в виде системы, включающей в себя одновременно по меньшей мере два признака из пп.5-11.

13. Композитное пористое изделие по п.2 или 3, в котором для различных связанных систем пор выполняются различные признаки из пп.5-11 или их комбинации.

14. Композитное пористое изделие по пп.1, 2 или 3, в котором текучий твердеющий материал представляет собой многокомпонентный состав.

15. Композитное пористое изделие по п.2 или 3, в котором различные системы пор заполнены различными по своим свойствам текучими твердеющими материалами.

16. Композитное пористое изделие по пп.1, 2 или 3, в котором пористое тело изготовлено из различных материалов.