[发明专利]一种高效的定向辐射屏蔽防护结构及其3D打印方法

说明书

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。

技术领域

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

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。

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。

3D打印出现问题为：

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。

材料制备问题：

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)。

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。

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

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。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

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：