用于制造多梯度发泡聚合物材料的产品的方法技术

一种用于制造由发泡聚合物材料制成的产品的方法，该方法包括以下步骤：经由软件生成待以固体的可发泡聚合物材料制造的产品的虚拟模型(M)；经由虚拟模型(M)的软件执行拓扑优化，以便获得包括具有差异化的相对密度和/或差异化的形态的区域的优化的虚拟模型(MO)；准备可发泡聚合物材料并且将该可发泡聚合物材料插入到模具(1)中；使至少一种发泡剂在压力下、在置于模具(1)中的可发泡聚合物材料中以发泡剂的根据拓扑优化而随时间和/或空间可变的压力分布溶解；释放压力，以便获得由发泡聚合物材料制成的产品(S)，该产品设置有上面提及的具有差异化的相对密度的区域；将由发泡聚合物材料制成的产品(S)从模具(1)移除。合物材料制成的产品(S)从模具(1)移除。合物材料制成的产品(S)从模具(1)移除。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于制造多梯度发泡聚合物材料的产品的方法


[0001]本专利技术涉及用于制造多梯度发泡聚合物材料、即具有在材料的密度和/或泡孔尺寸分布(形态)方面有差异的区域的产品的方法。特别地，该方法允许制造优化的产品(在结构和/功能方面被优化，例如在刚度、强度、弹性、碰撞吸收性能、热绝缘性能、声学吸收性能方面被优化)，从而允许仅在产品严格要求的地方分布材料。为此，拓扑优化软件与用于生产能够形成密度和/形态的多梯度的发泡聚合物材料的程序一起使用。这种程序提供了使所述材料发泡所需的物理发泡剂的溶解，其特征在于，随时间和/或空间可变的条件以及先前执行的拓扑优化的功能。更特别地，随溶解步骤的时间和/或空间可变的条件在聚合物中产生物理发泡剂的浓度的非均匀分布，这在膨胀时在产品中产生与用拓扑优化限定的非均匀密度和形态对应的非均匀的密度和形态。

技术介绍

[0002]最近，人们对“具有梯度”的发泡材料产生兴趣，相对于以就泡孔密度和/或形态而言的一致结构为特征的这些发泡材料，“具有梯度”的发泡材料的结构和功能特性得到改善。通过最近的科学研究，理论数值和实验两者都已证明这一点。科学文献描述了一种使这种发泡结构分层或具有形态和/或密度的梯度的方法以及一种用于获得这种发泡结构的方法。
[0003]例如，Zhou C.等人在“Fabrication of functionally graded porous polymer via supercritical CO
2 foaming"，Composites:Part B 42(2011)318
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325中考虑使用“发泡剂的浓度非平衡分布”。在该方法中，待发泡的材料已经在发泡剂的作用下通过溶解步骤部分地饱和，该溶解步骤在随时间恒定的压力和温度下进行，比达到发泡剂的均匀浓度所需的时间短。在这种情况下，待发泡的样品的更远的部分(相对于在压力下与发泡剂接触的自由表面，因此更靠内的部分)包含比邻近所述表面的部分(更外部的部分)低的浓度的发泡剂，其中，发泡剂的浓度容易随着发泡剂的外部压力达到平衡条件。因此，样品的内部部分将较少发泡或者不发泡，而外部部分将完全发泡。这种类型的结构的设计假定发泡剂在聚合物中的扩散系数的知识可用于大量的聚合物/发泡剂系统。即使所述方法易于实现，它也相当有限，因为它仅允许制造下述发泡材料：所述发泡材料具有单一梯度，其特征在于样品内的较少发泡层和外部的较多发泡层。
[0004]M.Trofa、E.Di Maio、P.L.Maffettone在“Multi
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graded foams upon time
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dependent exposition to blowing agent”，Chemical Engineering Journal362(2019)812
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817中说明了通过使用发泡技术产生具有梯度的分层聚合物泡沫的可能性，该发泡技术提供了在压力下以随时间可变的一个或更多个发泡剂的压力分布，即通过在可发泡的聚合物材料中引入气体吸收的步骤的随时间可变的条件使所述一个或更多个发泡剂溶解。
[0005]拓扑优化软件也是当前已知的。这种软件在计算机辅助生产工程(CAE)的范围内获得并且在增材制造的范围内经历了较强的发展。增材制造是经由根据计算机3D模型制造物体而将材料接合的过程。例如，N.Manfredi、Universit
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Degli Studi di Pavia、Facolt
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di Ingegneria、Corso di Laurea Magistrale的在Ingegneria Civile,anno accademico 2014
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2015[University of Pavia，Faculty of Engineering，Civil Engineering graduate program，academic year 2014
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2015]中的论文“Strutture leggere:ottimizzazione topologica e stampa 3D”[“Lightweight structures:topology optimization and 3D printing”]说明了用于由晶格材料制成的结构的拓扑优化以及借助于3D打印来制造这种优化的结构的代码。在这种论题中，明确地说明的是，与晶格材料不同，由于泡沫的特征在于，在泡孔的分布、尺寸和形状中较强的随机性，因此所述泡沫不适用于该优化过程。
[0006]当今同样已知的是，可以通过采用例如具有不同刚度的不同材料的分层来获得部件的性能需求。另一方面，不同材料的使用使得难以(如果不是不可能的)对部件进行回收。
[0007]定义
[0008]表述“聚合物材料”表示包括均聚物或共聚物、热塑性或热固性的聚合物材料。
[0009]表述“可发泡聚合物材料”表示下述聚合物材料：所述聚合物材料能够在一定温度和压力下吸收发泡剂、能够在自身释放压力时允许气泡成核、并且能够在气泡增长期间抵抗伸长应力直至固化。
[0010]表述“发泡剂”表示能够借助于在聚合物材料内形成气泡而引起聚合物材料的膨胀的物质。
[0011]术语“密度”表示给定体积的聚合物材料的重量与该体积之间的比率。
[0012]术语“形态”表示形成在发泡聚合物材料内的气泡的形状、尺寸和单位体积的数量(气泡的密度)，以及聚合物在气泡的壁与柱状部之间的局部分布。
[0013]术语“发泡聚合物材料”表示在其内部已经借助于发泡剂形成气泡的聚合物材料。
[0014]因此，发泡聚合物材料的密度还取决于形成在所述发泡聚合物材料内的气泡的形态以及该泡沫的数量。
[0015]在本描述和所附权利要求的范围内，“相对密度”是指给定体积的发泡聚合物材料的密度与相同体积的相同固体聚合物材料——即未发泡、其中不存在气泡的聚合物材料——的密度之间的比率。
[0016]术语“拓扑优化”定义了借助于软件进行的研究，该研究能够在毫米级或微米级上重新定义部件内的质量分布、使宏观几何形状保持不变，从而允许使部件轻量化，即提高部件的特定性能。拓扑优化允许以有机方式利用所使用的质量集合，这些质量集合与部件性能协同配合。
[0017]通过该方法，可以保持部件的外部形状，遵守生产限制，减少起作用的重量并且确保最初的机械性能。拓扑优化研究了材料在受约束的设计空间中的最佳分布。在本描述和所附权利要求的范围内，“发泡聚合物材料的拓扑优化”是指经由能够重新限定所述发泡聚合物材料中的结构的质量分布以便使其轻量化的软件进行的计算。发泡聚合物材料的结构的拓扑优化允许限定所述发泡材料的密度梯度(即气泡的形状、尺寸和单位体积的数量)，以便获得高性能、可持续且轻质的结构。设计步骤提供了对结构的体积的设计、对应力的限定、对可发泡聚合物材料(固体的、尚未成为多孔的可发泡聚合物材料)的特性和约束条件的限定。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用制造由多梯度的发泡聚合物材料制成的产品的方法，所述方法包括以下步骤：i.经由软件生成待以固体的可发泡聚合物材料制造的产品的虚拟模型(M)；ii.分配由使用决定的约束和/或载荷，并且经由所述虚拟模型(M)的软件执行拓扑优化，以便获得包括具有差异化的相对密度和/或差异化的形态的区域的优化的虚拟模型(MO)；iii.准备所述可发泡聚合物材料；iv.将所述可发泡聚合物材料插入到模具(1)中；v.使至少一种发泡剂在压力下、在置于所述模具(1)中的所述可发泡聚合物材料中以所述至少一种发泡剂的根据所述拓扑优化而随时间和/或空间可变的压力分布溶解；vi.释放压力，以产生由发泡聚合物材料制成的产品(S)，所述产品(S)设置有所述具有差异化的相对密度和/或差异化的形态的区域；以及vii.将由发泡聚合物材料制成的所述产品(S)从所述模具(1)移除。2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤iii.包括：制造所述固体的可发泡聚合物材料的预成型件(P)；其中，步骤iv.包括：将所述预成型件(P)置于所述模具(1)中。3.根据权利要求2所述的方法，其中，至少在步骤v.之前，置于所述模具(1)中的所述预成型件(P)部分地填充所述模具(1)，从而留下空体积(4)以允许所述可发泡聚合物材料在步骤vi.期间膨胀。4.根据权利要求2或3所述的方法，包括：根据所述优化的虚拟模型(MO)经由软件生成预成型件的虚拟模型(MP)，并且根据所述预成型件的虚拟模型(MP)制造所述预成型件(P)。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述预成型件的虚拟模型(MP)通过下述方式来生成：从所述优化的虚拟模型(MO)虚拟地逐步去除较低密度处的体积，直至在固体聚合物、即未发泡的聚合物中获得的所述预成型件的虚拟模型(MP)的质量等于所述优化的虚拟模型(MO)的质量。6.根据权利要求2至5中的一项所述的方法，其中，制造所述预成型件(P)包括：模制所述预成型件、可选地注射模制或压缩模制所述预成型件、通过吹制或旋转模制来制造所述预成型件。7.根据当权利要求4和6从属于权利要求3时的权利要求3至7中的一项所述的方法，包括：用相同的可发泡聚合物材料的非粘结材料、可选地呈颗粒或球状物的非粘结材料部分地填充所述模具(1)的所述空体积(4)，以加快溶解。8.根据权利要求2至7中的一项所述的方法，包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：埃内斯托，
申请(专利权)人：马特利艾斯有限责任公司，
类型：发明
国别省市：