一种制备可控孔隙结构多孔材料的装置

1.本实用新型属于复合材料制备装置技术领域，具体涉及一种制备可控孔隙结构多孔材料的装置。


背景技术：

2.多孔陶瓷是内部具有一定尺寸和一定数量气孔的新型陶瓷，这些气孔彼此相互连通或闭合。它具有传统陶瓷材料的抗腐蚀、抗氧化等特性，还具有密度低、开口气孔率高，比表面积大等特点。因其优异的化学性能和力学性能，广泛应用于环境保护、食品加工、生物医药和化学工业等领域。
3.多孔陶瓷的主要制备工艺包括：有机泡沫浸渍工艺、发泡工艺、添加造孔剂工艺、挤压成形工艺等。有机浸渍工艺可制备气孔率较高的多孔陶瓷，但陶瓷骨架脆弱、缺陷多；发泡工艺制备的多孔陶瓷具有气孔率高，强度大的特点，制备闭气孔多孔陶瓷具有优势，但是对原材料的要求较高；添加造孔剂工艺可在复杂形状的多孔陶瓷中应用，但孔径大小难以控制，也不适合制备高气孔率的多孔陶瓷。挤压成形工艺应用于制造细长的多孔陶瓷，孔的大小及形状可以精确控制，但该方法不适合制备复杂孔径的多孔陶瓷。上述方法在一定程度上可以进行孔隙控制，但是不能同时进行孔隙分布、孔隙结构以及孔径的规则控制。
4.目前现有技术多集中在采用添加造孔剂来制备多孔材料，无法实现孔隙率和孔结构的可控性；且实用化学试剂制备的多孔陶瓷材料力学性能较差无法满足应用需求，严重阻碍其广泛应用。因此，迫切需要设计制备一种能够实现孔隙结构的可控性，从而提升其力学性能。


技术实现要素：

5.为克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供了一种制备可控孔隙结构多孔材料的装置，其可实现多孔材料内部孔隙结构的可控性，操作简单，减少能耗，装置主要采用叠层设置，改变陶瓷材料内部所铺设线材直径以及排布方式，进而进行高温烧结后去除网格板，来实现内部孔隙结构的可控性；此外，本实用新型具有较好的适用性，通过改变不同原料，可获得不同类型的多孔材料，以满足不同的应用需求。
6.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
7.一种制备可控孔隙结构多孔材料的装置，包括铺粉装置、成型装置以及网格板打印装置；其中顶板安装在支架组装成的矩形框架上，顶板一侧自下至上安装用于对多孔复合材料进行成型的成型装置，用于向成型装置中铺洒粉体且滚动压实的铺粉装置，顶板中间设有铺粉凹槽；顶板左侧安装有用于实现有机网格板材铺设结构可控性的网格板打印装置；所述网格板打印装置包括打印支撑机架、打印机头、打印平台；打印平台两侧安装有导轨，用于将打印好的有机网格板铺设到成型装置内；所述成型装置包括同轴设置的成型缸和成型升降平台，所述成型升降台设置在成型缸内。
8.所述的铺粉装置包括铺粉漏斗、铺粉架、铺粉滚筒和滚筒；所述铺粉架上固定有铺
粉漏斗，铺粉架下端安装有铺粉滚筒和滚筒，铺粉滚筒与滚筒连接处采用夹块连接，两个滚筒在铺粉架下成水平排列，两端分别安装有动力装置，使滚筒实现轴向转动，铺粉架两端与滑块相连接，使铺粉装置可在导轨上实现横向移动。
9.所述的铺粉滚筒外表面带有一圈键槽，粉体落入铺粉漏斗内通过铺粉滚筒的转动和键槽来实现对铺粉速度的控制。
10.所述的成型升降平台和成型缸均安装在升降台上，所述升降台自下至上设置有支撑板、滑动板以及底板，支撑板上固定四个成矩形排列的粗滑杆，粗滑杆上安装有滑动板，滑动板中间设置升降台丝杠螺母，丝杠螺母带动滑动板沿粗滑杆轴向直线往复运动；所述滑动板上端固定有四个成矩形排列的细滑杆，细滑杆穿过底板与成型升降台相连，底板固定在粗滑杆顶端，其下端中心位置固定有丝杠，成型缸设置在底板上，成型升降台、成型缸与顶板矩形孔同轴设置，细滑杆带动成型升降平台在成型缸内轴向移动。
11.所述的网格板打印装置包括打印支撑机架、打印机头、打印平台、x向驱动电机、y向驱动电机；支撑机架上方设有两组x向机构和y向机构，y向机构包括对应安装于支撑机架上的y向轴承座，轴承座之间设置有第一滑动杆、第二滑动杆和y向丝杠，y向丝杠上滑动设置有y向活动块，y向活动块可在丝杠沿y向移动，x向机构包括对应安装于支撑机架上的x向轴承座，x向轴承座之间转动设置有x向丝杠，x向丝杠上滑动设置有用于固定打印机头的打印机头固定架，带动打印机头沿x向移动；所述打印平台安装在顶板之上，两侧导轨之间设置有丝杠以及固定件装置，打印平台安装在固定件上，沿丝杠轴向方向运动；固定件安装在滑块上，沿导轨横向移动。
12.利用制备可控孔隙结构多孔材料的装置的方法，包括以下步骤：
13.步骤1，使成型升降台的上表面与顶板上表面相距一层复合材料的厚度；
14.步骤2，两侧滑块带动铺粉架运动之成型升降台上端，当铺粉架运动至成型升降台一侧时，使铺粉电机和滚筒电机分别开始带铺粉滚筒和滚筒转动，铺粉滚筒将铺粉漏斗中漏出的粉体均匀漏出，并铺洒至成型升降台的上表面，即开始铺粉动作；
15.步骤3，当铺粉架经导轨往复运动置原来位置时，使铺粉滚筒停止转动，铺粉漏斗停止出料，结束铺粉动作；
16.步骤4，打印装置通过计算机输入有机网格板模型结构，在打印平台内制备完成所需有机网格板结构，
17.步骤5，导轨带动打印平台移动至右侧停止，将打印好的有机网格板平铺在铺设好的复合材料的成型升降台上，之后打印平台移动回原来位置。
18.步骤6，将成型升降台下移，使成型升降台上铺设的复合材料和有机网格板的上表面与顶板上表面相距一层复合材料厚度处后停止运动；
19.步骤7，根据对多孔复合材料层数的确定，重复步骤2-步骤6，直至达到所要求的层数，即完成多孔复合材料的制备。
20.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
21.1)本实用新型装置可通过改变所选线材的材质和线材的直径，经过电脑控制网格打印机的来制备不同结构的网格板材，使用叠层实体工艺制备坯体，经过高温烧结去除网格板，材料内部留下孔隙结构。同时对有机网格板的编织形式进行改变，以此达通过网格板材的不同结构来实现多孔材料内部孔隙结构的可控性。
22.2)利用本实用新型所属装置制备孔隙结构可控的多孔材料，经济性更强、工艺流程简单，减少能耗，通过铺粉装置和成型装置实现自动铺粉和成型。
附图说明
23.图1为本实用新型整体结构示意图。
24.图2为本实用新型装置侧视图。
25.图3为本实用新型铺粉装置的爆炸图。
26.图4为本实用新型铺粉装置的主视图。
27.图5为本实用新型成型装置的结构示意图。
28.图6为本实用新型打印装置的结构示意图。
29.附图中：1、铺粉漏斗，2、顶板，3、支撑板，4、电机架，51、铺粉滚筒步进电机，52滚筒步进电机、6、铺粉滚筒联轴器，7、铺粉滚筒，8、夹块，9、侧板，91、铺粉漏斗连接件，92、滚筒，93滚筒联轴器，10、导轨，11、第一滑块，12、支撑板支架，13、铺粉架，14、成型缸，15、打印平台联轴器，16、打印机头，17、打印平台，18、末端固定件，191、x向丝杠，192、y向丝杠，20、打印机头固定架，21、y向轴承座，22、打印支撑机架，23、y向驱动电机，24、x向驱动电机，25、x向轴承座，26、第一固定件，27、第二固定件，281、第一滑动杆，282、第二滑动杆，29、支撑腿，30、滑动板，31、细滑杆，32、粗滑杆，33、电机连接板，34、升降台丝杠螺母，35、升降台步进电机，36、升降台丝杠，37、升降台联轴器，38、成型升降平台，39、底板，40、第二滑块，41、打印平台固定架，42、打印平台丝杠，43、打印平台电机，91、铺粉漏斗连接件，92、滚筒，93、滚筒联轴器，100、铺粉装置，200、成型装置，300、打印装置。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
31.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、
ꢀ“
前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解.
32.参照图1和图2，一种制备可控孔隙结构多孔材料的装置，包括用于制备可控多孔复合材料的铺粉装置100，铺粉装置100的下侧设置有用于对整个可控多孔复合材料的成型装置200，铺粉装置100的左侧设置有用于制备有机网格板的打印装置300。
33.参照图1和图2，支撑框架包括支撑板3，支撑板3四角垂直设置有四个支撑腿29，支撑腿29之间用支撑板支架12保证结构稳定，支撑板支架对支撑板起到支撑固定作用，支撑腿29顶端设置有顶板2，顶板2两侧安装有导轨10，顶板2与导轨10连接处采用侧板9固定，同时侧板9和顶板2均安装在支撑腿29上，导轨10与铺粉架13通过滑块11连接，实现铺粉架13沿导轨方向横向移动，顶板2左侧通过固定件26将打印支撑机架22安装在上端；打印平台17通过两端连接板固定在滑块上，使其能够沿导轨10横向移动；
34.参考图3和图4，铺粉装置100包括铺粉漏斗1、铺粉滚筒7、铺粉架13、滚筒92和第一
滑块11，铺粉漏斗1通过铺粉漏斗连接件91固定在铺粉架13侧面，铺粉架13一侧开设有通孔与滚筒92和滚筒电机51配合使用，滚筒联轴器93安装在铺粉架13内侧，铺粉漏斗1下端安装有铺粉滚筒7，铺粉滚筒7和滚筒92通过可拆卸夹块8与铺粉架13固定在一起，铺粉滚筒7和滚筒92在同一水平面上，铺粉滚筒7和滚筒92的另一端均通过铺粉滚筒联轴器6与铺粉滚筒步进电机51和滚筒步进电机52的输出轴同轴连接，铺粉滚筒步进电机51和滚筒步进电机机52通过电机架4固定在铺粉架13上，铺粉架13两端固定有第一滑块11，第一滑块11与导轨10形成导轨副；铺粉滚筒7外表面一圈带有凹槽，通过凹槽和滚筒步进电机52来实现铺粉动作。
35.参照图5，成型装置300包括成型缸14、成型升降平台38、细滑杆31、粗滑杆32、底板39、滑动板30、升降台步进电机35、升降台丝杠36和升降台丝杠螺母34，所述成型升降平台38设置在成型缸14内；成型装置300自下至上设置有支撑板3，滑动板30和底板39，支撑板3上固定有四个成矩形排列的粗滑杆32和升降台步进电机35，滑动板30四周有通孔，粗滑杆32穿过通孔与滑动板30组合，粗滑杆32顶端安装有底板39，滑动板30上安装有四个成矩形排列的细滑杆31，细滑杆31穿过底板39上通孔与成型升降平台38相连接，滑动板30的中心位置安装有升降台丝杠螺母34和升降台丝杠36，升降台丝杠螺母34和滑动板30固定连接，升降台步进电机35通过升降台联轴器37带动升降台丝杠螺母34，沿升降台丝杠36轴向运动，滑动板30与升降台丝杠螺母同步运动，同时滑动板30带动细滑杆31和其上端成型升降平台38同步运动。
36.参照图2和图6，网络版打印装置包括打印支撑机架22、打印机头16、打印平台17、x向驱动电机24和y向驱动电机23；打印支撑机架22上方设有两组x向机构和y向机构，y向机构包括对应安装于支撑机架22上的y向轴承座21，y向轴承座之间设置有第一滑动杆281、第二滑动杆282和y向丝杠，y向丝杠上滑动设置有x向轴承座25，可在丝杠沿y向移动；x向机构包括对应安装于支撑机架上的x向轴承座24，x向轴承座之间转动设置有x向丝杠191，x向丝杠上滑动设置有用于固定打印机头的固定装置，能够带动打印机头沿x向移动，所述打印平台16安装在顶板之上，两侧导轨之间设置有丝杠以及打印平台固定架41，打印平台安装在固定件上，能够沿丝杠轴向方向运动。固定件安装在滑块上能有沿导轨横向移动。打印支撑机架22通过第一固定件26安装在顶板2上，打印支撑架22顶端安装有y向轴承座21其上端安装有y向驱动电机23，第二固定件27安装在底板2上，y向轴承座21与第二固定件27之间垂直设置有y向丝杠192、第一滑动杆281和第二滑动杆282，且y向丝杠192一端与顶板2用第二固定件27固定连接，y向丝杠192的另一端与y向驱动电机23的输出轴同轴连接，y向丝杠192上螺纹连接x向轴承座25和x向驱动电机24；启动y向驱动电机23后，y向驱动电机23带动y向丝杠192转动，y向丝杠192转动带动x向轴承座25和x向驱动电机24垂直移动，x向轴承座25与末端固定件18之间水平设置有x向丝杠191，且x向丝杠191一端用末端固定件18固定，另一端安装在装有x向驱动电机24的x向轴承座25上，打印机头固定架20上安装有打印机头16，x向丝杠191的另一端与x向驱动电机24的输出轴同轴连接，x向丝杠191上固定连接打印机头固定架20，启动x向驱动电机24后，x向驱动电机24带动x向丝杠191转动，x向丝杠191转动带动打印机头固定架20和打印机头16水平移动；两侧导轨10上安装有第二滑块40，两侧第二滑块40上固定有电机连接板33，两侧电机连接板33之间横向设置有打印平台丝杠42，且打印平台丝杠42一端与电机连接板33固定连接，打印平台丝杠42的另一端通过打印平台联轴
器15与打印平台电机43的输出轴同轴连接，打印平台丝杠42上固定连接打印平台固定架41，启动打印平台电机43后，打印平台电机43和打印平台联轴器15带动打印平台丝杠42转动，打印平台丝杠42转动带动打印平台固定架41和打印平台17同时水平移动。
37.本实用新型的工作原理是：
38.安装好上述装置；启动步进电机35，联轴器37和升降台丝杠36开始旋转，使成型升降平台38向上移动，当成型升降台38的上表面与顶板2上表面相距一层复合材料厚度处后停止移动；
39.两侧第一滑块11带动铺粉架13运动至成型升降台38上方，当铺粉架13运动至成型升降平台38一侧时且以此为起点，启动滚筒电机51和铺粉滚筒电机52，铺粉滚筒联轴器6、滚筒联轴器93、滚筒92和铺粉滚筒7开始旋转，手动移动铺粉架13，铺粉架13通过第一滑块11沿导轨10方向往复移动，铺粉漏斗1中的复合材料的粉体开始漏出，铺粉滚筒7将铺粉漏斗1中漏出的粉体均匀漏出，通过铺粉滚筒7转动以及其上凹槽将复合材料粉体铺放到成型升降台38内，与此同时，滚筒92转动，将复合材料粉体压平，铺粉架13此时在成型升降平台另一侧将此即为终点，通过控制铺粉滚筒7的旋转速度，可以控制复合材料混合粉体的流出量；进而控制制备单层复合材料的厚度；
40.当铺粉架15往复运动一次回到原来位置时，使铺粉滚筒7和滚筒92停止转动，铺粉漏斗1停止出料，即结束铺粉动作；
41.通过外置计算机输入具体有机网格模型结构，启动y向驱动电机23、x向驱动电机24以及打印平台电机43，使打印机头16根据输入模型结构在打印平台17上制备所需有机网格板；
42.手动移动第二滑块40，带动打印平台17移动至铺粉架13所移动的终点位置，手动将打印好的有机网格板平铺在铺设好的复合材料的成型升降平台38上，之后打印平台17移动回原来位置；
43.将成型升降台38下移，使成型升降台38上铺设的复合材料和有机网格板的上表面与顶板2上表面相距一层复合材料厚度处后停止运动；
44.重复上述步骤，直至达到所需复合材料层数，即得到所需坯体片材；
45.取出制得坯体片材进行高温烧结，经高温去除内部有机网格板即完成对多孔复合材料的制备。
46.根据打印有机网格板线材的直径，以及打印过程中对线材的结构分布控制以实现制备不同孔径和孔隙结构的多孔材料。
47.本实用新型提出的一种叠层实体快速成型装置，通过在计算机控制下采用打印制得所需结构的有机网格板，将有机网格板铺放在工作台的上方，铺放粉体，将有机网格板与粉体紧密结合，逐层叠加，最终堆叠为胚体，经由高温烧结除去有机网格板，胚体内部留下与有机网格板结构相同的孔隙结构。孔隙结构控制中可以改变有机网格板板线材的直径以及排列形式，来得到不同分布的孔隙结构。
48.根据打印机所选线材的材质和线材的直径可对网格板的孔隙直径进行控制，通过有机网格板的编织方式可以进行孔隙排布控制，使用叠层实体工艺得到坯体后进行烧结除去有机网格板，复合材料内部可以得到与有机网格板相同结构的多孔材料，实现了对多孔复合材料可控性，具有实用性强，操作方便的特点。
49.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。