本發(fā)明涉及固體推進劑的成型加工方法，特別是一種熱塑性固體推進劑的增材制造方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的熱塑性固體推進劑成型制造主要是采用螺壓成型工藝，隨著成型尺寸的增加，設(shè)備系統(tǒng)也越來越龐大，成型所需要的壓力成倍提高，成型制造系統(tǒng)的能源消耗增加，制造難度顯著增大，綜合制造成本大幅度提高。更重要的是推進劑的成型質(zhì)量控制的難度也加大，制造過程發(fā)生燃爆事故的危險性提高。對于高固體含量較高的熱塑性高能固體推進劑，物料的分散均勻性和力學(xué)性能的穩(wěn)定性是決定使用性能的關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)。采用螺壓擠出工藝制備固體推進劑時，隨著填料比例的提高成型壓力會大幅度提高，有時高達30MPa以上，成型需要的溫度也會隨固體填料的增加而提高。要求螺桿擠出設(shè)備的整體強度和部件的強度非常高，設(shè)備體積也相應(yīng)增大。固體填料的引入還會帶來物料塑化程度不夠、物料分散不均勻、塊體材料的密實性不夠等問題。目前，解決上述問題的主要方法主要采用更大尺寸、強度更高的成型設(shè)備，不僅增加制造成本，生產(chǎn)效率也比較低。此外，采用傳統(tǒng)的螺壓工藝制備熱塑性的固體推進劑，無法實現(xiàn)一些形狀復(fù)雜和多材質(zhì)復(fù)合的變?nèi)妓偻七M劑藥柱。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種可以采用較小的設(shè)備制造大尺寸和復(fù)雜形狀的熱塑性固體推進劑的增材制造方法。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種固體推進劑的增材制造方法，是將固體推進劑原料與溶劑混合塑化，將混合塑化后含溶劑的物料經(jīng)過預(yù)成型機擠壓成料條，再將料條采用螺桿式喂料器輸送到成型裝置，由螺桿式擠出成型裝置的打印噴頭擠出并逐層粘接成型，噴頭的運動路徑由三維運動控制器控制，在移動的打印頭處設(shè)置精密控溫的熱風(fēng)口，成型過程中溶劑被熱風(fēng)帶走，得到密實的推進劑藥柱。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點為：1)采用較小的設(shè)備制造大尺寸的固體推進劑，成型設(shè)備系統(tǒng)的重量和體系顯著減??；2)通過溶劑法物料混合，較好地解決傳統(tǒng)成型方法所導(dǎo)致物料分散不均勻、塑化程度不夠的問題；3)增材制造方法制備固體推進劑可以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)藥柱或多材質(zhì)變?nèi)妓偻七M劑的一次成型；4)具有過程安全、成型效率高的優(yōu)點；5)通過在噴頭出吹熱風(fēng)，可以保證制備出的藥柱密實性良好。
附圖說明
圖1為本發(fā)明固體推進劑增材制造的工藝過程示意圖。
具體實施方式
結(jié)合圖1，本發(fā)明的一種固體推進劑的增材制造方法，包括以下步驟：
步驟1、固體推進劑原料與溶劑混合塑化，得到含溶劑的面團狀物料；所述固體推進劑為可以被溶劑溶解的熱塑性固體推進劑，推進劑原料包含粘合劑和固體填料，固體填料占固體推進劑總質(zhì)量的0％-80％；
所述粘合劑為聚氨酯彈性體、聚疊氮縮水甘油醚、3-疊氮甲基-3-甲基環(huán)氧丁烷聚合物、3,3-雙(疊氮甲基)環(huán)氧丁烷聚合物、乙基纖維素、醋酸纖維素、乙酸丁酸纖維素、端羥基聚丁二烯、硝化纖維素中的一種或兩種以上混合物；
所述固體填料為高氯酸銨、黑索今、奧克托金、FOX-7、CL-20、TKX-50、二硝酰胺銨鹽、硝仿肼、鋁粉、鎂鋁合金粉的一種或兩種以上混合物；
所述溶劑為甲醇、乙醇、乙醚、丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯、二氯甲烷、四氫呋喃中的一種或兩種以上的混合物。
步驟2、將步驟1得到的混合塑化后含溶劑的物料經(jīng)過預(yù)成型機擠壓成料條，所述的預(yù)制成型的料條直徑為3.0-20.0mm；
步驟3、將步驟2得到的料條采用螺桿式喂料器輸送到成型裝置，由螺桿式擠出成型裝置的噴頭擠出；所述成型裝置的噴頭處的擠出壓力為0.1-5.0MPa，噴頭處的溫度為40-70℃，噴頭出口直徑為1.0-5.0mm。
步驟4、將步驟3噴頭擠出的物料在三維運動平臺上逐層堆砌成型，在打印噴頭處設(shè)置用于控溫的熱風(fēng)口，在成型過程中將溶劑用熱風(fēng)吹走，得到密實的推進劑藥柱。堆砌成型時，增材成型的分層厚度為0.05-1.0mm；噴頭處所送的熱風(fēng)溫度范圍為50-100℃。
下面進行更詳細的描述。
一種固體推進劑的增材制造方法，包括以下步驟：
步驟1、固體推進劑原料與溶劑混合塑化，得到含溶劑的面團狀物料；所述固體推進劑是可以被溶劑溶解的熱塑性固體推進劑，推進劑原料包含粘合劑、固體填料，所述固體推進劑是以聚氨酯彈性體、聚疊氮縮水甘油醚、3-疊氮甲基-3-甲基環(huán)氧丁烷聚合物、3,3-雙(疊氮甲基)環(huán)氧丁烷聚合物、乙基纖維素、醋酸纖維素、乙酸丁酸纖維素、端羥基聚丁二烯、硝化纖維素中的一種或兩種以上混合物作為粘合劑。所述固體推進劑是以高氯酸銨、黑索今、奧克托金、FOX-7、CL-20、TKX-50、二硝酰胺銨鹽、硝仿肼、鋁粉、鎂鋁合金粉的一種或兩種以上混合物作為固體填料，固體填料占固體推進劑總質(zhì)量的0％-80％。所述溶劑為甲醇、乙醇、乙醚、丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯、二氯甲烷、四氫呋喃中的一種或一種以上的混合物。
步驟2、將步驟1得到的混合塑化后含溶劑的物料經(jīng)過預(yù)成型機擠壓成料條，所述的預(yù)制成型的料條直徑為3.0-20.0mm；
步驟3、將將步驟2得到的料條采用螺桿式喂料器輸送到成型裝置，由螺桿式擠出成型裝置的打印噴頭擠出；所述的擠出成型裝置由螺桿、套筒、打印噴頭、加熱部件、恒溫控制器組成。成型裝置的打印噴頭處的擠出壓力為0.1-5.0MPa，擠出噴頭處的溫度為40-70℃，打印噴頭出口直徑為1.0-5.0mm。
步驟4、將步驟3打印噴頭擠出的物料在三維運動平臺上逐層堆砌成型，噴頭的運動路徑由三維運動控制器控制，在打印噴頭處設(shè)置精密控溫的熱風(fēng)口，成型過程中溶劑被熱風(fēng)帶走，得到密實的推進劑藥柱。增材成型的分層厚度為0.05-1.0mm。打印噴頭處所送的熱風(fēng)溫度范圍為50-100℃。
區(qū)別于傳統(tǒng)的高壓狀態(tài)下完成的無溶劑法成型工藝，本發(fā)明借助惰性溶劑的方法，將需要成型的固體推進劑物料安全地混合塑化，并通過預(yù)制料條將含溶劑的料條逐層疊加，安全地制造出密實的固體推進劑。
為了更好地說明本發(fā)明的實施方法，下面進行舉例闡述，這些過程和工藝條件并不代表發(fā)明的全部。只要是通過溶劑法預(yù)混塑化和三維堆砌成型制備推進劑的方法均可以被使用，不違背本發(fā)明的技術(shù)方案。
實施例1
選用軟化點為70℃的聚氨酯熱塑性彈性體為粘合劑，在聚氨酯熱塑性彈性體中加入粒徑小于200μm的黑索今作為固體填料，黑索今占成品推進劑質(zhì)量百分含量為70％進行配料。
采用溶劑法混合工藝，先將溶劑加入到捏合機中，再逐步把聚氨酯熱塑性彈性體溶解到溶劑中形成溶膠，然后把黑索今分5批分散到溶膠中，繼續(xù)捏合混合60分鐘。溶劑選用乙酸乙酯，用量為固體物料質(zhì)量的80％。將混合均勻后含溶劑的物料經(jīng)過預(yù)成型機擠壓成直徑為5mm的料條。將含溶劑的直徑5mm的料條采用螺桿式喂料器輸送到擠出成型裝置，擠出成型裝置由螺桿、套筒、打印噴頭、加熱部件、恒溫控制器組成。物料從螺桿式擠出成型裝置的打印噴頭擠出，并在三維運動平臺上逐層堆砌成型，噴頭的運動路徑由三維運動控制器控制，在打印噴頭處設(shè)置精密控溫的熱風(fēng)口，成型過程中溶劑被熱風(fēng)帶走，打印噴頭直徑為1.0mm，打印過程中設(shè)定的層厚為0.3mm，噴頭出口的擠出壓力為1.0MPa，擠出噴頭處的溫度為50-60℃，熱風(fēng)溫度控制在60-70℃，制得推進劑樣品的密度為1.50g/cm3，為理論密度的95.5％，取樣測試樣品軸向的抗拉強度為2.20MPa，推進劑樣品的尺寸誤差小于0.5mm。工藝過程示意圖參見圖1。
實施例2-11
采用與實施例1相同的原料和成型工藝過程，僅改變黑索今的配比、成型制備過程中預(yù)制料條的直徑、打印噴頭出口直徑、噴頭擠出壓力、打印成型分層厚度等工藝參數(shù)，其他工藝參數(shù)與實施例1相同，制備的推進劑樣品的相對密度和抗拉強度如下表所示。
實施例12-21
采用與實施例1相同的成型工藝過程，僅改變粘合劑種類及配比、固體填料的種類及配比、溶劑種類和用量、熱風(fēng)溫度等工藝參數(shù)，其他工藝參數(shù)與實施例1相同，制備的推進劑樣品的相對密度和抗拉強度如下表所示。
從實施例10-21的結(jié)果可以看出，采用不同粘合劑和固體填料在合適的溶劑及用量條件下，都可以順利地完成成型加工，得到密實性和力學(xué)性能滿足使用要求的固體推進劑樣品。
實施例22-29
采用與實施例1相同的成型工藝過程，僅改變固體推進劑配方中粘合劑的種類及用量、氧化劑或高能炸藥等固體填料種類及用量、物料混合所用溶劑，其他
參數(shù)與實施例1相同，制備的固體推進劑樣品密度和力學(xué)性能如下表所示。
通過以上實例可以看出，采用本發(fā)明方法制備固體推進劑，工藝過程簡單，可以采用較低的溫度和壓力下便可以制備出的藥柱。在物料配比和工藝條件下，都可以順利地完成成型加工，得到密實性和力學(xué)性能滿足使用要求的固體推進劑樣品。