一种高效的定向辐射屏蔽防护结构及其3D打印方法

摘要

本发明公开了一种高效的定向辐射屏蔽防护结构及其3D打印方法，加工方法包括以下步骤：采用第一喷头将基体材料打印形成具有填充腔的骨架单元；通过第二喷头在骨架单元填充腔内打印填充增强材料；经过第三喷头将固定材料喷覆在增强材料上表层形成薄膜并使其固化；重复以上步骤直至加工完成。该方法通过骨架单元结构解决了高分子单一材料进行大工件实填充制作过程中出现的翘曲、变形等缺陷，制作的工件具有高精度。

权利要求

1.一种高效的定向辐射屏蔽防护结构的3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：采用第一喷头将基体材料打印形成具有填充腔的骨架；

通过第二喷头在骨架填充腔内打印填充增强材料；

经过第三喷头将固定材料喷覆在增强材料上表层形成薄膜并使其固化；

重复以上步骤直至工件逐层加工完成；

所述骨架包括框架和骨架单元，所述骨架单元为多孔结构，多孔结构形成阵列排布的填充腔；所述框架设置在所述骨架单元外周；

所述基体材料为高分子材料，高分子材料选自聚醚醚酮、聚酰亚胺、尼龙和聚乙烯中的一种或多种的复合材料；

所述增强材料为B4C、B3N、W和Pb中的一种或多种复合材料；

所述固定材料为环氧树脂、丙烯酸酯或高分子基体材料；

所述骨架根据有限元仿真方法得到；所述增强材料的添加量根据蒙特卡罗仿真方法得到；具体为：

所述填充腔为多孔结构，具体形状为圆形、矩形、十字形、正多边形或其他形状中的一种或多种混合；逐层加工的所述骨架单元的填充腔形状相同或不同，相同形状按照一定规律进行重复循环打印；骨架单元的形状、大小、深度是通过具体要求通过有限元软件仿真得到力学性能的计算结果进行指导结构设计；

根据力学性能和屏蔽性能设计骨架单元填充，通过3D打印加工屏蔽体。

2.根据权利要求1所述3D打印方法，其特征在于，所述第一喷头包括送丝轮(7)、加热块(6)和第一喷嘴(5)；所述基体材料的丝材(8)经过送丝轮(7)，进入加热块(6)使得丝材熔融，再经过第一喷嘴(5)制作工件(3)的骨架。

3.根据权利要求1所述3D打印方法，其特征在于，所述第二喷头包括注入口、螺杆(11)、喷头腔(12)和第二喷嘴(13)，所述螺杆(11)设置在喷头腔(12)内，注入口设置在喷头腔(12)一端，第二喷嘴(13)设置在喷头腔(12)另一端。

4.根据权利要求1所述3D打印方法，其特征在于，所述第三喷头包括粘接腔(17)、微波/光波装置(14)、加热电阻丝(15)、腔内热电偶(16)和雾化喷嘴(19)；所述加热电阻丝(15)端部设置在粘接腔(17)内，所述腔内热电偶(16)设置在粘接腔(17)内，微波/光波装置(14)设置在粘接腔(17)一端，雾化喷嘴(19)设置在粘接腔(17)另一端。

5.一种高效的定向辐射屏蔽防护结构，其特征在于，由权利要求1至4任意一项所述的

3D打印方法制得，包括3D打印加工而成的多层结构；多层结构包括骨架、增强材料和固定材料薄膜；所述骨架为多孔结构，所述多孔结构形成具有阵列排布的填充腔，所述增强材料填充在所述填充腔内，所述固定材料薄膜设置在所述增强材料上表层。

说明书

一种高效的定向辐射屏蔽防护结构及其3D打印方法

技术领域

[0001] 本发明涉及屏蔽射线辐射领域，特别是涉及一种高效屏蔽射线辐射防护板及其3D打印方法。

背景技术

[0002] 核能作为清洁能源，提供持续动力。人们利用核能同时，同时需要考虑射线辐射，特别是中子和γ射线辐射。射线辐射屏蔽高效与安全是保障利用核安全的首要问题。在特
殊热力环境下，有限的空间范围内既要求屏蔽体轻量化结构，又要求达到理想的力学性能
和优良的屏蔽性能，这是传统的加工制造无法实现的。高分子材料由于其高强度、高韧性、
高耐温、重量轻等优异特性推动了机械、电子、航空航天等工业快速发展。传统的加工高分
子材料通过高温注塑法和模压法。加工缺陷多、加工难度大，加工困难。

[0003] 3D打印技术以CAD模型为基础，逐层增加材料的制造方式，“设计‑3D打印制造‑应用”一体化的现代产品设计加工方法，凭借其操作简单，成型速度快等优点成为制造行业中
深受人们关注的加工技术。

[0004] 3D打印出现问题为：

[0005] 制作缺陷多，精度低；由于基体高分子材料(聚醚醚酮PEEK、聚酰亚胺PI等)是一种高熔点、半结晶的热塑性高温聚合物，在成型过程中对环境温度要求特别高，3D打印加工过
程中很容易出现翘曲，特别加工尺寸较大的样工件时出现严重的翘曲，通常会带来了工件
变形，导致尺寸精度低；甚至出现层与层加工过程中的开裂等因素阻止了其广泛的应用。

[0006] 材料制备问题：

[0007] 通过在基体材料(聚醚醚酮、聚酰亚胺、尼龙、聚乙烯等或聚醚醚酮/聚酰亚胺/尼龙/聚乙烯等增强复合材料)添加增强材料(B4C、B3N、W和Pb等)。

[0008] 由于3D打印特殊工艺要求增强材料选择范围窄，通常选用材料粒径为微纳米。颗粒粒径选择过大，3D打印过程中容易堵塞喷嘴。基体材料和增强材料粒径差异较大，材料复
合过程中导致材料分散不均匀；纳米复合材料容易出现团聚，在3D打印加工工件过程中出
现大量的气孔、气泡等缺陷等。

[0009] 同时，增强材料(B4C、B3N、W、Pb等)与高分子材料(PEEK、PI等)材料复合中空间体积比例有一个极限值，超过极限混合时，丝材脆硬，基体材料熔融后粘连度低无法满足3D打
印。此时射线屏蔽增强材料(B4C、B3N、W、Pb等)含量远远未达到高性能屏蔽需求。因此通过增
加屏蔽体厚度的方法达到优异的屏蔽性能。增大所占空间范围；同时造成了基体材料浪费，
增大成本。

发明内容

[0010] 为了解决基体材料和增强材料加工缺陷多，加工困难和性能达不到最优问题，本发明提供了一种高效屏蔽射线辐射及其3D打印方法。通过新型结构设计和新型制造方法实
现射线高效屏蔽。该方法经过对放射源的剂量，射线传播过程中通过弹性散射和非弹性散
射设计屏蔽体的骨架单元模型，同时确定骨架单元的大小，形状，个数，位置分布，骨架单元
壁结构厚度，以及骨架单元壁曲面结构或者平面结构。经过3D打印骨架结构解决了高分子
单一材料进行大工件实填充制作过程中出现的翘曲、变形等缺陷，制作的工件具有高精度。
同时对骨架单元的材料，骨架单元的结构可选择性使得屏蔽体力学性能可控；经过增强材
料对骨架单元里面空隙进行实填充，填充增强材料的种类、粒径大小、形状、成分比例可选
择性使得射线屏蔽性能可控。

[0011] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

[0012] 为了实现高效屏蔽射线辐射防护体通过三喷头或者多喷头3D打印方法去实现，包括以下步骤：

[0013] 采用第一喷头将基体材料打印形成具有填充腔的骨架单元；

[0014] 通过第二喷头在骨架单元填充腔内打印填充增强材料；

[0015] 经过第三喷头将固定材料喷覆在增强材料上表层形成薄膜并使其固化；

[0016] 重复以上步骤直至工件逐层加工完成。

[0017] 作为本发明的进一步改进，所述骨架包括框架和骨架单元，所述骨架单元为多孔结构，多孔结构形成阵列排布的填充腔；所述框架设置在所述骨架单元外周。

[0018] 作为本发明的进一步改进，所述基体材料为高分子材料，高分子材料选自聚醚醚酮、聚酰亚胺、尼龙、聚乙烯等或聚醚醚酮/聚酰亚胺/尼龙/聚乙烯等增强复合材料。

[0019] 作为本发明的进一步改进，所述第一喷头包括送丝轮、加热块和第一喷嘴；所述基体材料的丝材经过送丝轮，进入加热块使得丝材熔融，再经过第一喷嘴制作工件的骨架。

[0020] 作为本发明的进一步改进，所述增强材料为B4C、B3N、W和Pb中的一种或多种高分子复合材料。

[0021] 作为本发明的进一步改进，所述第二喷头包括注入口、螺杆、喷头腔和第二喷嘴，所述螺杆设置在喷头腔内，注入口设置在喷头腔一端，第二喷嘴设置在喷头腔另一端。

[0022] 作为本发明的进一步改进，所述固定材料为环氧树脂、丙烯酸酯、高分子基体材料或高分子增强复合材料。

[0023] 作为本发明的进一步改进，所述第三喷头包括粘接腔、微波/光波装置、加热电阻丝、腔内热电偶和雾化喷嘴；所述加热电阻丝、腔内热电偶设置在粘接腔内，微波/光波装置
设置在粘接腔一端，雾化喷嘴设置在粘接腔另一端。

[0024] 作为本发明的进一步改进，所述骨架单元根据有限元仿真方法得到；所述增强材料的添加量根据蒙特卡罗仿真方法得到。

[0025] 一种高效的定向辐射屏蔽防护结构，包括3D打印加工而成的多层可设计结构；多层结构包括骨架单元、增强材料和固定材料薄膜；多个所述骨架单元构成骨架的多孔结构，
所述多孔结构形成具有阵列排布的填充腔。

[0026] 可设计结构包括骨架单元形状、壁厚、高度、材料、棱长宽度等。所述增强材料填充在所述填充腔内，所述固定材料薄膜设置在所述增强材料上表层。

[0027] 相比于现有技术，本发明具有以下优点：

[0028] 本发明一种高效的定向辐射屏蔽防护结构3D打印方法，基于高精度3D打印机为多喷头熔融沉积制造(FDM)打印机，通过双螺杆挤塑机造粒，单螺杆挤塑机挤丝制备高精度3D
打印机丝材，分别进行基体材料打印形成具有填充腔的骨架单元；在骨架单元填充腔内打
印填充增强材料；喷覆固定材料在增强材料上表层形成薄膜并使其固化进行制备。该方法
有效的解决了高分子单一材料进行大工件实填充制作过程中出现的翘曲、变形等缺陷，制
作的工件具有高精度的特点。

[0029] 进一步，通过有限元方法和蒙特卡罗方法模拟真实的环境仿真计算，由力学性能和屏蔽性能可设计骨架单元的填充方法，通过3D打印加工屏蔽体。此方法既可达到理想的
力学性能，又兼顾屏蔽多种辐射优异的屏蔽性能。达到力学性能可控、屏蔽性能可控。同时，
此种制作方法可以最大化的利用了材料，真正意义上做到轻量化和节省成本。

附图说明

[0030] 图1为3D打印设备；

[0031] 图2为3D打印设备的三种喷头或者多喷头；

[0032] 图3为高质量屏蔽体制作设计流程图；

[0033] 图4为高精度可设计骨架结构模型示意图；

[0034] 图5为增强材料体示意图。

具体实施方式

[0035] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施
例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通
技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保
护的范围。

[0036] 本发明一种高效的定向辐射屏蔽防护结构3D打印方法，基于高精度3D打印机为多喷头熔融沉积制造(FDM)打印机，通过双螺杆挤塑机造粒，单螺杆挤塑机挤丝制备高精度3D
打印机丝材1，经过喷头2熔融，在基板4上制作工件3。

[0037] 如图1、图2和图3所示，具体的包括以下步骤：

[0038] 1)打印骨架单元

[0039] 所述基体材料为高分子材料，高分子材料选自聚醚醚酮、聚酰亚胺、尼龙、聚乙烯等或聚醚醚酮/聚酰亚胺/尼龙/聚乙烯等增强复合材料。所述第一喷头包括送丝轮7、加热
块6和第一喷嘴5；所述基体材料的丝材8经过送丝轮7，进入加热块6使得丝材熔融，再经过
第一喷嘴5制作工件3的骨架。

[0040] 通过第一喷头制作出高精度骨架，骨架模型确保屏蔽测试件的精度。高分子材料(聚醚醚酮PEEK、聚酰亚胺PI、极限增强复合材料等)丝材8经过送丝轮7，经过加热块6使得
丝材熔融，经过第一喷嘴5制作工件3骨架；喷嘴5大小，骨架单元结构的形状，尺寸，大小可
影响着工件3的力学性能；

[0041] 2)填充增强材料

[0042] 所述增强材料为B4C、B3N、W、Pb等或者其复合材料。

[0043] 所述第二喷头包括注入口、螺杆11、喷头腔12和第二喷嘴13，所述螺杆11设置在喷头腔12内，注入口设置在喷头腔12一端(图上为上端)，第二喷嘴13设置在喷头腔12另一端
(图上为下端)。

[0044] 骨架若干层后，通过第二喷头在体内填充增强材料B4C、B3N、W、Pb等或者其复合材料的复合材料；增强材料通过分别通过第一注入口9、第二注入口10进入喷头腔12内，通过
螺杆11推动粉末，经过第二喷嘴13流出；

[0045] 当骨架填充满后，通过3D打印机滚子压实增强材料后，通过腔内刮刀使得平面保持平整；

[0046] 3)薄膜固化层

[0047] 所述固定材料为环氧树脂、丙烯酸酯、高分子材料或极限复合材料；所述第三喷头包括粘接腔17、微波/光波装置14、加热电阻丝15、腔内热电偶16和雾化喷嘴19；所述加热电
阻丝15、腔内热电偶16设置在粘接腔17内，微波/光波装置14设置在粘接腔17一端(图上为
上端)，雾化喷嘴19设置在粘接腔17另一端(图上为下端)。

[0048] 经过第三喷头将增强材料固定成型，粘接腔17内液体18为环氧树脂或丙烯酸酯或高分子材料(聚醚醚酮PEEK、聚酰亚胺PI等)18；

[0049] 液体18若为环氧树脂通过3D打印机腔内加热使得喷覆在增强材料上表层环氧树脂膜快速固化；

[0050] 液体18若为丙烯酸酯通过3D打印机腔内加入紫光灯，使得喷覆在增强材料上表层待树脂薄膜平整后通过紫外光照射，使其表面固化；

[0051] 液体18若为高分子基体材料(聚醚醚酮、聚酰亚胺、尼龙、聚乙烯等或聚醚醚酮/聚酰亚胺/尼龙/聚乙烯等增强复合材料)或增强极限复合材料；经过加热电阻丝15加热使得
腔内高分子材料18得以完全熔融，加热电阻丝15换成微波或光波装置14将腔内高分子材料
熔融；通过腔内热电偶16控制粘接腔17内温度。

[0052] 粘接腔内17液体18通过雾化喷嘴19喷覆在增强材料上表层形成一层薄膜使得材料表面得以固定，增加塑性；

[0053] 然后重复以上步骤直至加工完成。

[0054] 射线屏蔽过程是复杂的，如图3至图5所示，根据实际要求(工作环境、机械性能，射线屏蔽性能等)，通过有限元方法和蒙特卡罗方法模拟真实的环境仿真计算，由力学性能和
屏蔽性能可设计骨架单元的填充方法，通过3D打印加工屏蔽体。此方法既可达到理想的力
学性能，又兼顾屏蔽多种辐射优异的屏蔽性能。此种制作方法可以最大化的利用了材料，真
正意义上做到轻量化和节省成本。

[0055] 如图4所示，所述骨架包括框架和骨架单元，所述骨架单元阵列排布形成阵列排布的填充腔；所述框架设置在所述骨架单元外周。

[0056] 其中，所述填充腔为多孔结构，具体形状为圆形、矩形、十字形、正多边形或其他形状中的一种或多种混合；逐层加工的所述骨架单元的填充腔形状相同或不同，相同形状按
照一定规律进行重复循环打印。

[0057] 通常10B的化合物(B4C、B3N等)具有优异的屏蔽中子辐射，钨、铅、硅等重金属屏蔽γ射线辐射。通过高分子材料(聚醚醚酮PEEK、聚酰亚胺PI等)为基体,B4C/W做增强剂制作
高分子材料的复合材料。通过材料复合、分散，双螺杆造粒、单螺杆挤丝制备符合3D打印的
PEEK复合材料，复合材料的比例根据挤出机成型的最大极限可以随意调整PEEK以及增强材
料直接比例。新型高分子复合屏蔽材料用于中子、γ射线屏蔽。

[0058] 采用本发明的加工方法得到的一种高效的定向辐射屏蔽防护结构，包括3D打印加工而成的多层结构；多层结构包括骨架单元、增强材料和薄膜；所述多个骨架单元形成骨架
阵列排布形成阵列排布的填充腔，所述增强材料填充在所述填充腔内，固定材料设置在所
述增强材料上表层形成薄膜。

[0059] 以下结合具体实施例对本发明进行详细说明。

[0060] 外形材料选取

[0061] 根据具体的环境要求可以选择耐高温材料(PEEK、PI、PEI、PA、金属、金属复合材料等)、低温材料(PE、PLA等)。

[0062] 制作骨架；

[0063] 骨架单元选取材料，骨架单元数量，骨架单元形状，骨架单元高度确保3D打印屏蔽体翘曲，变形小，使得外形尺寸精度高；制作多个骨架单位形成骨架；

[0064] 填充增强材料：

[0065] 骨架单元空隙中实填充增强材料，增材材料成分，粒径大小，通过MCNP模拟实际射线屏蔽要求而定。

[0066] 增强结构定型

[0067] 需要材料固化灵敏度高，材料相容性好。

[0068] 实施例

[0069] 目标：在300℃环境下屏蔽中子伽马射线，制作长方体实填充屏蔽体，尺寸为300cm(长)×300cm(宽)×100cm(高)为例。

[0070] 框架材料选择：选择熔点为343℃高温材料PEEK、或者更加耐高温材料；

[0071] 骨架单元选择：可以选择PEEK材料为骨架单元，也可选择10％PEEK碳纤维材料，30％wtPEEK碳化硼复合材料、85％wtPEEK钨复合材料。其中，10％PEEK碳纤维材料最优，热
膨胀系数最小。同时PEEK碳纤维复合材料力学性能优良。

[0072] 屏蔽体制作：以10％PEEK碳纤维为例制作外轮廓和骨架，骨架单元形状选取六边形、圆形、十字形结构，骨架单元的形状，大小，深度是通过具体要求通过有限元软件仿真得
到力学性能计算结果指导结构设计。

[0073] 若屏蔽体设计四种异质结构，四个阶段完成。0cm‑25cm处为圆形骨架单元，25cm‑50cm处为六边形骨架单元，50‑75cm为十字形骨架单元，75cm‑100cm为混合骨架单元；

[0074] 第一阶段：

[0075] 第一喷嘴通过10％wt碳纤维PEEK FDM3D打印制作框架和骨架，骨架单元模型为圆形，高度增长到25cm圆柱后，第二喷嘴，进行填充(碳化硼、氮化硼，聚乙烯硼的复合物)实填
充后，第三喷嘴通过高温雾化喷嘴喷涂PEEK或者W/PEEK高温复合材料，使得填充材料得以
固定；完成了第一阶段的制作过程；之后循环此过程。

[0076] 第二阶段：

[0077] 第一喷嘴，通过10％wt碳纤维PEEK FDM3D打印制作外形和骨架，骨架单元形状为六面体，高度再次增长到25cm六面体后，第二喷嘴，进行填充(钨、铅、钨铅的复合物)实填充
后，第三喷嘴通过高温雾化喷嘴喷涂PEEK或者W/PEEK高温复合材料，使得填充材料得以固
定；完成了第二阶段的制作过程；

[0078] 第三阶段：

[0079] 第一喷嘴，通过10％wt碳纤维PEEK FDM3D打印制作外形和骨架，骨架单元形状为十字面体，高度再次增长到25cm十字面体后，第二喷嘴，进行填充(碳化硼或者钨或者铅或
者硼钨铅的复合物)实填充后，第三喷嘴通过高温雾化喷嘴喷涂PEEK或者W/PEEK高温复合
材料，使得填充材料得以固定；完成了第三阶段的制作过程；

[0080] 第四阶段：

[0081] 第一喷嘴，通过10％wt碳纤维PEEK FDM3D打印制作外形和骨架，骨架单元形状为混合面体，高度再次增长到25cm混合面体后，第二喷嘴，进行填充(碳化硼或者钨或者铅或
者硼钨铅的复合物)实填充后，第三喷嘴通过高温雾化喷嘴喷涂PEEK或者W/PEEK高温复合
材料，使得填充材料得以固定；完成了第四阶段的制作过程；

[0082] 过程中骨架单元选取材料，骨架单元数量，骨架单元形状，骨架单元高度、骨架单元壁的厚度、骨架单元壁曲面结构通过有限元仿真指导结构设计骨架单元空隙中实填充增
强材料，增材材料成分，粒径大小，通过MCNP模拟实际射线屏蔽要求而定。

[0083] 这样制作完成力学性能可控、屏蔽性能可控的适应不同环境(环境温度限制)的屏蔽体。

[0084] 其中，骨架单元根据有限元仿真方法得到。增强材料的添加量根据蒙特卡罗仿真方法得到。

[0085] 采用本发明的方法制备高效屏蔽射线辐射防护体的优点为：

[0086] 通过骨架单元结构解决了高分子单一材料进行大工件实填充制作过程中出现的翘曲、变形等缺陷，制作的工件具有高精度；

[0087] 通过对骨架单元结构通过骨架单元的形状，骨架单元的宽度、厚度通选择可以控制样件的力学性能范围。

[0088] 通过结构设计最大化的使用增强材料，通过调配合适的增强材料达到最优的屏蔽效果；

[0089] 同时通过复合多种增强材料，达到屏蔽多种射线辐射的能力。

[0090] 以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛
盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

[0091] 以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不
脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因
此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

[0092] 应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见
的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些
权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利
申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任
何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发
明主题的一部分。