CN107443746B - 一种微区材料组分可控的增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于快速成型技术，并公开了一种微区材料组分可控的增材制造方法，采用多个材料输送装置将各种形状、各种尺寸和各种材质的控形结构单元输送至设定区域进行拼接，然后采用定向能场将拼接后的控形结构单元固化，以此方式，对控形结构单元逐层拼接和固化，从而实现增材制造。本发明所采用增材制造工艺，改变了传统增材制造工艺过程中仅对材料做等分分割的思想，充分发挥计算机等对加工过程中的辅助作用，通过对材料截面层区域的进一步分类，实现指定区域的材料和精度定制。不仅解决了当前增材制造中所存在的难以逐点控形控性的难题，同时由于对相同区域制造过程的简化进一步提升了增材制造的效率。

Description

一种微区材料组分可控的增材制造方法
技术领域
本发明属于快速成型领域，更具体地，涉及一种增材制造方法。
背景技术
增材制造也称为3D打印，是通过CAD设计数据采用将材料逐点、逐线或逐层累加的方式制造实体的技术。
目前常用的增材制造技术可分为如下几类(见Nahum.Travitzky等，Additivemanufacturing of ceramic-based materials,Adv.Eng.Mater.,2014:pp.729–754.)：
1)逐点进行增材制造的技术
三维打印(Three dimensional printing，3DP)是目前逐点进行增材制造的主要技术，其技术思路为在计算机控制下喷嘴将工作腔内的粘结剂喷射到指定位置将粉末固结并逐层堆积形成实体，也有类似3DP的技术采用直接将半熔融的粉末喷射到指定位置并逐层堆积以实现增材制造。这种逐点的增材制造方法可实现对材料的逐点控形控性，但其表面分辨率低、精度差(约为0.2mm)，难以满足高精度材料的增材制造需求。
2)逐线进行增材制造的技术
逐线的增材制造技术包括基于粉末床的激光选区烧结或熔融(selective lasersintering or selective laser melting，SLS或SLM)、基于浆料的光固化技术(Stereolithography，SLA)以及基于线材的挤出成型技术(如熔融挤出技术fuseddeposition melting，FDM或者挤出无模成型技术Extrusion Free Forming，EFF)。其基本的技术思想或通过线条的直接叠加如熔融挤出技术(FDM)，或通过定向能场对平面内的原料进行沿既定lu路径扫描固结并逐层堆积实现增材制造。但这类方法不易实现材料微观区域的组分和结构调整。
3)逐层进行增材制造的技术
逐层的增材制造技术则包括基于浆料的光固化技术(SLA)和基于片层的叠层制造技术(Laminated Object Manufacturing，LOM)，其基本的技术思想为直接通过定向能场对截面区域实现固化，并逐层叠加制备实体，实现增材制造过程。但由于材料或零件均为截面直接进行叠加获得，且截面内为相同材质，因此不能实现材料在截面内逐点的控形控性。
综上所述，目前增材制造技术往往将零件实体划分为结构、材料组分相同的单元进行制造。如上述3DP、熔融挤出成型、基于粉末床的激光选区熔融或选区烧结、或以浆料为原材料的光固化技术等增材制造方法中，增材制造的堆积过程或者为结构及组分相同的点累加，或通过线累加，或为面叠加；这样就造成增材制造由于材料分割信息过于粗糙而无法满足材料微观区域组分调控的要求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种微区材料组分可控的增材制造方法，利用挤出成型形状可控、尺寸可控的半固态结构单元，在热场/磁场/微波场作用下能够很好的与周围以及前置层单元实现粘结，有效避免传统增材制造方法中出现的分层等缺陷，提高所制备材料的力学性能。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种微区材料组分可控的增材制造方法，其特征在于，采用多个材料输送装置将各种形状、各种尺寸和各种材质的控形结构单元输送至设定区域进行拼接，然后采用定向能场将拼接后的控形结构单元固化，以此方式，对控形结构单元逐层拼接和固化，从而实现增材制造。
优选地，所述控形结构单元，其等效圆直径为2μm～500μm，其厚度不超过300μm。
优选地，每个所述控形结构单元的材质分别选自陶瓷材料、高分子材料、金属材料中的一种。
优选地，每个所述控形结构单元均为膏体，并且所述膏体的固含量为60％以上。
优选地，每个所述控形结构单元的形状分别选自六边形、正方形、长方形、梯形、半圆形中的一种。
优选地，每个所述材料输送装置分别选自液压装置、气压装置、电磁装置中的一种，并且每个所述材料输送装置的输送路径采用物质约束的方式或物理场约束的方式。
优选地，所述物质约束的方式为管路输送。
优选地，所述物理场约束的方式为通过电场或磁场对控形结构单元位置进行限定。
按照本发明的另一个方面，还提供了一种微区材料组分可控的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)区域划分：在计算机上对零件进行分层切片处理，其中，在每一层中，对无需精细定制的区域划分为多个较大的控形结构单元，而对需要精细定制的区域则划分为多个较小的控形结构单元；
(2)控形结构单元拼接：成型时，对无需精细定制的区域采用较大的控形结构单元进行拼接，对需要精细定制的区域则采用较小的控形结构单元进行拼接，从而形成一层截面结构，然后对拼接后形成的这层截面结构进行修整，使这层截面结构与设计的截面结构一致；其中，采用材料输送装置将设定材质、形状及尺寸的控形结构单元输送到指定位置进行拼接；
(3)材料增材制造：待步骤(2)截面结构铺设完成后，使用定向能场对该层截面结构进行辐照成型或烧结成型；
(4)重复步骤(2)和步骤(3)，直至完成零件的增材制造。
优选地，较大的控形结构单元的等效圆直径为200μm～500μm，较小的控形结构单元的等效圆直径为2μm～50μm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明所采用增材制造工艺，改变了传统增材制造工艺过程中仅对材料做等分分割的思想，充分发挥计算机等对加工过程中的辅助作用，通过对材料截面层区域的进一步分类，实现指定区域的材料和精度定制。不仅解决了当前增材制造中所存在的难以逐点控形控性的难题，同时由于对相同区域制造过程的简化进一步提升了增材制造的效率。
附图说明
图1～图4分别为实用例1～实施例4中不同零件的单层截面形状的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明公开了一种材料微区组分可控的增材制造方法。本发明采用多个材料输送装置，以不同形状大小、不同材料的控形结构单元拼接实现材料组分可控的增材制造。本发明采用膏体为原料，材质涵盖高分子、金属与陶瓷。
在增材制造过程中，利用计算机先将材料或零件实体的3D设计数据分割为多个截面，再依据截面形状的变化以及零件在不同区域的材料组织结构定制需求，对截面利用计算机做进一步分割；对无需精细定制的区域将其划分为大块，而对需要精细定制的区域将其划分为小块。通过材料输送装置将特定材质、形状及尺寸的控形结构单元输送到基板上的指定位置，并使用刮刀、压辊等器具对其进行调整使截面拼接完整无缺陷。在该层铺设完成后，使用定向能场如激光、电子束、微波等对该层进行辐照成型或烧结，所用定向能场辐照区域可根据形状及拼接区域的大小调整，同时根据控形结构单元所用材质，进行合理的气氛选择，如空气、真空或氩气气氛；重复上述分割、输送以及成型烧结过程直至完成整个材料或零件的增材制造过程。本发明所提出的增材制造方法可实现增材制造过程中对材料微区组分的任意定制与调整，为梯度材料、超材料、结构功能一体化材料等新型材料的增材制造奠定了基础。
实施例1
致密方块的增材制造，材质分别为不锈钢和纯铜，
本致密方块的制备方法包括下述步骤：
步骤一、膏体制备：将不锈钢粉料、纯铜粉两种金属分别与高分子润滑剂及分散剂混合制成固含量不小于60％的膏体，并将不锈钢膏体与铜膏体分别灌入不同的材料输送装置待用，以用于形成不锈钢控形结构单元1和铜控形结构单元2；
步骤二、控形结构单元划分：采用计算机辅助软件对所制备平面进行划分，本实施例中，在零件中有三处圆柱形铜区域，将其根据零件在不同区域的材料组织结构定制需求，进行效率划分，在保障精度和定制要求的前提下尽可能减少原料输送的次数；
步骤三、控形结构单元拼接：根据所需制备零件的要求，首先采用等效圆直径为500μm的控形结构单元对无需精细定制的区域进行逐层的直接拼接，其次采用等效圆直径为50μm控形结构单元对需要精细定制的区域进行拼接并根据材料的设计要求，采用液压挤出装置将特定材质、形状及尺寸的控形结构单元输送到基板上的指定位置，并使用刮刀、压辊等器具对其进行修整使截面结构拼接完整无缺陷；其中，上述控形结构单元的厚度不超过300μm；
步骤四、材料增材制造：使用选区激光熔融工艺对材料进行逐层烧结，重复步骤三与逐层辐照烧结，直至完成增材制造过程。
实施例2
等径致密圆柱的增材制造，材质碳化硅陶瓷与金属钛复合，见图2。
本等径致密圆柱的制备方法包括下述步骤：
步骤一、膏体制备：将碳化硅粉料、钛粉分别与无机润滑剂(如硼酸化合物)及分散剂等混合制成固含量不小于60％的膏体，并将碳化硅膏体与钛膏体分别灌入不同的材料输送装置待用，以用于形成碳化硅控形结构单元1'和钛控形结构单元2'；
步骤二、控形结构单元划分：采用计算机辅助软件对所制备平面进行划分，本实施例中，在零件内为圆柱体碳化硅材料区域，零件外侧为钛金属区域,将其根据零件在不同区域的材料组织结构定制需求，进行效率划分，在保障精度和定制要求的前提下尽可能减少原料输送的次数；
步骤三、控形结构单元拼接：根据所需制备零件的要求，首先采用等效圆直径为300μm的控形结构单元对无需精细定制的区域进行逐层的直接拼接，其次采用等效圆直径为20μm控形结构单元对需要精细定制的区域进行拼接并根据材料的设计要求，采用液压挤出装置将特定材质、形状及尺寸的控形结构单元输送到基板上的指定位置，并使用刮刀、压辊等器具对其进行修整使截面结构拼接完整无缺陷；其中，上述控形结构单元的厚度不超过300μm；
步骤四、材料增材制造：使用选区激光烧结工艺对材料进行逐层辐照，重复步骤三与逐层辐照过程，直至完成增材制造过程。
实施例3
等径中空圆管的增材制造，材质陶瓷复合材料，见图3。
本等径中空圆管的制备方法包括下述步骤：
步骤一、膏体制备：将氧化锆粉料、氧化铝分别与水基润滑剂、水基分散剂等混合制成固含量不小于60％的膏体，并将氧化铝膏体与氧化锆膏体分别灌入不同的材料输送装置待用，以用于形成氧化铝控形结构单元1”和氧化锆控形结构单元2”；
步骤二、控形结构单元划分：采用计算机辅助软件对所制备平面进行划分，本实施例中，在零件中内侧为氧化铝区域，外侧为氧化锆区域,将其根据零件在不同区域的材料组织结构定制需求，进行效率划分，在保障精度和定制要求的前提下尽可能减少原料输送的次数；
步骤三、控形结构单元拼接：根据所需制备零件的要求，首先采用等效圆直径为200μm的控形结构单元对无需精细定制的区域进行逐层的直接拼接，其次采用等效圆直径为2μm控形结构单元对需要精细定制的区域进行拼接并根据材料的设计要求，采用液压挤出装置将特定材质、形状及尺寸的控形结构单元输送到基板上的指定位置，并使用刮刀、压辊等器具对其进行修整使截面结构拼接完整无缺陷；其中，上述控形结构单元的厚度不超过300μm；
步骤四、材料增材制造：采用冷冻固化工艺(如用低温二氧化碳对水基膏体进行固化)对材料实现逐层固化。重复步骤三与逐层固化过程，直至完成增材制造过程。
实施例4
中空椭圆管的增材制造，材质为高分子复合，见图4。
本中空椭圆管的制备方法包括下述步骤：
步骤一、膏体制备：将亚克力(PMMA)粉料、环氧树脂粉末、润滑剂、光敏树脂及分散剂混合制成固含量不小于60％的膏体，并将环氧树脂膏体和亚克力膏体分别灌入不同的材料输送装置待用，以用于形成环氧树脂控形结构单元1”'和亚克力控形结构单元2”'；
步骤二、控形结构单元划分：采用计算机辅助软件对所制备平面进行划分，本实施例中，在零件外侧为亚克力区域，外侧环氧树脂区域，为将其根据零件在不同区域的材料组织结构定制需求，进行效率划分，在保障精度和定制要求的前提下尽可能减少原料输送的次数；
步骤三、控形结构单元拼接：根据所需制备零件的要求，首先采用等效圆直径为200μm的控形结构单元对无需精细定制的区域进行逐层的直接拼接，其次采用等效圆直径为25μm控形结构单元对需要精细定制的区域进行拼接并根据材料的设计要求，采用液压挤出装置将特定材质、形状及尺寸的控形结构单元输送到基板上的指定位置，并使用刮刀、压辊等器具对其进行修整使截面结构拼接完整无缺陷；其中，上述控形结构单元的厚度不超过300μm；
步骤四、材料增材制造：使用光固化工艺对材料进行辐照，重复步骤三与辐照工艺，直至完成增材制造过程。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微区材料组分可控的增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)膏体制备：将各种形状、各种尺寸和各种材质的材料分别制成固含量不小于60％的膏体，并将不同膏体分别灌入不同的材料输送装置待用，以形成不同的控形结构单元；
(2)区域划分：在计算机上对零件进行分层切片处理，其中，在每一层中，对无需精细定制的区域划分为多个较大的控形结构单元，而对需要精细定制的区域则划分为多个较小的控形结构单元；
(3)控形结构单元拼接：对无需精细定制的区域采用较大的控形结构单元进行拼接，对需要精细定制的区域则采用较小的控形结构单元进行拼接，从而形成一层截面结构，然后对拼接后形成的这层截面结构进行修整，使这层截面结构与设计的截面结构一致；其中，采用材料输送装置将设定材质、形状及尺寸的控形结构单元输送到指定位置进行拼接；
(4)材料增材制造：待步骤(3)截面结构铺设完成后，使用定向能场对该层截面结构进行辐照成型或烧结成型；
(5)重复步骤(3)和步骤(4)，直至完成零件的增材制造。
2.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述控形结构单元，其等效圆直径为2μm～500μm，其厚度不超过300μm。
3.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，每个所述控形结构单元的材质分别选自陶瓷材料、高分子材料、金属材料中的一种。
4.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，每个所述控形结构单元的形状分别选自六边形、正方形、长方形、梯形、半圆形中的一种。
5.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，每个所述材料输送装置分别选自液压装置、气压装置、电磁装置中的一种，并且每个所述材料输送装置的输送路径采用物质约束的方式或物理场约束的方式。
6.根据权利要求5所述的增材制造方法，其特征在于，所述物质约束的方式为管路输送。
7.根据权利要求5所述的增材制造方法，其特征在于，所述物理场约束的方式为通过电场或磁场对控形结构单元位置进行限定。
8.根据权利要求1或2所述的一种微区材料组分可控的增材制造方法，其特征在于，较大的控形结构单元的等效圆直径为200μm～500μm，较小的控形结构单元的等效圆直径为2μm～50μm。
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