专利名称：基于sls成型的温度补偿可控非匀质材料零件制备方法
技术领域：
本发明涉及零件制造技术，尤其是一种非勻质材料零件制备方法。
背景技术：
快速原型(Rapid !Prototyping，简称RP)技术20世纪80年代后期起源于美国，很 快发展到西欧和日本，是20多年来制造技术领域的一次重大突破。快速原型技术是CAD、数 控技术、激光技术以及材料科学与工程的技术集成，它可以自动、快速地将设计思想物化为 具有一定结构和功能的原型或直接制造零部件，从而可以对产品设计进行快速评价、修改， 以响应市场需求、提高企业的竞争能力；快速原型技术的出现，反映了现代制造技术本身的 发展趋势以及激烈的市场竞争对制造技术发展的重大影响。快速原型技术自诞生以来，已发展了多种技术，目前比较成熟的快速原型技术有 以下几种立体印刷成型、层合实体制造、熔融沉积造型、选区激光烧结。想材料零件(IdealFunctional Material Components，简称 IFMC)概念的产生 是仿生学的又一成果。自然界中的众多生物体结构经过长期的优胜劣汰，其功能和结构达 到了几乎完美的程度。例如竹子等植物体以非均质的形式实现了高强度、低重量的生存要 求；而介观细结构的存在使某些动物体的骨骼具有负的泊松比，保证了骨骼的柔韧性要求。 类似这样，按照零件的最佳使用功能要求来设计制造的，由均质材料、呈梯度变化的组织成 分、按一定规律分布的细结构材料以及嵌入器件构成，实现材料组织结构和零件性能最佳 组合的零件，就是理想材料零件。它面向具体的力学、热学、电磁学等多方面的梯度功能和 智能等性能使用要求，在不同的区域，结合预设的几何特征、工艺特性及临近区域的材料特 性，从均质材料和非均质材料中选择最适合的构材。其实在自然界中，高精度和自组装的非勻质材料非常普遍，梯度结构广泛的存在 于各种生物和动物中。动物的骨骼和牙齿是完美的天然非勻质材料，骨骼中骨细胞密度由 内向外市逐步增加的，这种海绵质向致密质逐步变化的梯度结构式骨骼具有坚硬结实而不 是柔性，具有很好的力学性能和支撑作用。现在使用传统的加工方法是无法加工出这种非 勻质变密度的材料的。
发明内容
为了克服已有的零件加工技术无法加工非勻质变密度材料零件的不足，本发明提 供一种能够加工非勻质变密度材料零件、实用性良好的基于SLS成型的温度补偿可控非勻 质材料零件制备方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
一种基于SLS成型的温度补偿可控非勻质材料零件制备方法，所述非勻质材料零件制 备方法包括以下步骤
1)对待加工的非勻质材料零件构造零件三维模型；
2)对温度补偿零件进行补偿三维建模；3)根据待加工的非勻质材料零件的沿着水平方向的烧结密度分布情况，以及根据SLS 成型机中设定激光能量和预热温度条件下补偿热源与烧结密度的对应关系，确定温度补偿 零件的形状和位置；
4)将所述零件三维模型和补偿三维模型输入SLS成型机中，依照温度补偿零件的补偿 热源参数，并根据设定的激光能量和预热温度进行加工控制，得到非勻质材料零件。本发明的技术构思为选区激光烧结(Selected Laser Sintering，SLS)是借助 精确引导的激光束使材料粉末烧结或熔融后凝固形成三维原型或零件。即成型机按照计算 机输出的原型分层轮廓，采用激光束在指定路径上有选择性地扫描并熔融工作台上很薄且 均勻铺层的材料粉末。由分层图形所选择的扫描区域内的粉末被激光束熔融，连结在一起， 而未在该区域内的粉末仍然是松散的。当一层扫描完毕，向上(或下)移动工作台，控制完成 新一层烧结。全部烧结后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得原型或零件。基于SLS成型的非均质材料零件设计思想和理想材料零件设计思想相同，即根据 零件不同的功能要求，将其划分为有限个区域，各个区域中，材料的组分相和体分比都是根 据需要而连续变化的；整体上表现出零件材料和功能的非均勻性。由于实验所使用的SLS 成型机在加工时使用的是单一的尼龙材料，其非均勻性的表现是零件不同部位的密度不 同，所以基于SLS成型的非均质材料零件是理想材料零件中的变密度材料零件。在SLS工艺中，零件成型强度由烧结密度来决定，烧结密度不仅与工艺参数有关， 而且与零件摆放位置有关。已做的SLS实验表明，SLS工艺方式和烧结区域的预热温度场 极大地影响烧结件的微观结构和宏观结构(如孔隙率分布和各向尺寸精度等)，烧结过程中 非均勻的预热温度场影响着不同位置摆放试件的烧结密度，也因此导致了不同位置试件的 强度变化，这就为加工非勻质材料零件提供了可能，通过设置补偿热源，即通过在设定激光 能量和预热温度条件下补偿热源与烧结密度的对应关系，能够实现加工。本发明的有益效果主要表现在能够加工非勻质变密度材料零件、实用性良好。
图1是SLS成型机的加工示意图。图2是温度补偿零件示意图。
图3是另一种温度补偿零件示意图。 图4是再一种温度补偿零件示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。参照图1 图4，一种基于SLS成型的温度补偿可控非勻质材料零件制备方法，所 述非勻质材料零件制备方法包括以下步骤
1)对待加工的非勻质材料零件构造零件三维模型；
2)对温度补偿零件进行补偿三维建模；
3)根据待加工的非勻质材料零件的沿着水平方向的烧结密度分布情况，以及根据SLS 成型机中设定激光能量和预热温度条件下补偿热源与烧结密度的对应关系，确定温度补偿 零件的形状和位置；4)将所述零件三维模型和补偿三维模型输入SLS成型机中，依照温度补偿零件的补偿 热源参数，并设定的激光能量和预热温度进行加工控制，得到非勻质材料零件。本实施例的补偿热源为温度补偿零件，需要确定温度补偿零件的形状，以及温度 补偿零件和待加工的非勻质材料零件的位置关系，所述补偿热源参数为激光能量。本实施例中，加工出来的零件是单一材质的，零件上各处性能(主要指拉伸强度) 的不同是由于密度不同，而密度不同则是通过温度补偿热源的形状，以及SLS成型机粉床 的预热温度来控制的。本实施例中，采用的主要的实验设备——美国3D Systems公司生产的 Sinterstation HiQ+HS型选择性激光烧结成型机，参照图1，1为成型缸，2为供粉缸、3为溢 粉缸、4为待加工的非勻质材料零件，5为扫描镜、6为预热装置、7为光学系统，8为(X)2激光 器.，9为滚筒。参照图2，上面薄板为零件，下面的斜面为热源。从图中看到，热源与零件的距离从 左至右依次增加，由于两者之间的距离会对零件成型的密度有影响，那么离热源距离近的 一侧零件的密度，要大于离热源距离远的一侧零件的密度，于是得到的零件是非勻质的，随 着热源与零件的间距增加，零件上A处、B处、C处的密度和强度依次降低。这样就实现了对 零件密度变化的可控制。参照图3，随着补偿热源(即温度补偿零件)的形状变化，加工零件上A处、B处、C 处的密度和强度分段依次增加。参照图4，随着补偿热源(即温度补偿零件)的形状变化，加工零件上A处、B处、C 处的密度和强度分段依次减小。当然，确定温度补偿零件的激光能量后，所述温度补偿零件也可以设计成其他形 状，只要其满足设定激光能量和预热温度条件下补偿热源与烧结密度的对应关系即可。
权利要求
1. 一种基于SLS成型的温度补偿可控非勻质材料零件制备方法，其特征在于所述非 勻质材料零件制备方法包括以下步骤1)对待加工的非勻质材料零件构造零件三维模型；2)对温度补偿零件进行补偿三维建模；3)根据待加工的非勻质材料零件的沿着水平方向的烧结密度分布情况，以及根据SLS 成型机中设定激光能量和预热温度条件下补偿热源与烧结密度的对应关系，确定温度补偿 零件的形状和位置；4)将所述零件三维模型和补偿三维模型输入SLS成型机中，依照温度补偿零件的补偿 热源参数，并根据设定的激光能量和预热温度进行加工控制，得到非勻质材料零件。
全文摘要
一种基于SLS成型的温度补偿可控非匀质材料零件制备方法，包括以下步骤1)对待加工的非匀质材料零件构造零件三维模型；2)对温度补偿零件进行补偿三维建模；3)根据待加工的非匀质材料零件的沿着水平方向的烧结密度分布情况，以及根据SLS成型机中设定激光能量和预热温度条件下补偿热源与烧结密度的对应关系，确定温度补偿零件的形状和位置；3)将零件三维模型和补偿三维模型输入SLS成型机中，依照温度补偿零件的补偿热源参数，并根据加设定的激光能量和预热温度进行加工控制，得到非匀质材料零件。本发明能够加工非匀质变密度材料零件、实用性良好。
文档编号B22F3/105GK102120260SQ20101055123
公开日2011年7月13日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年11月19日
发明者孙磊, 李文俊, 王春博, 董星涛 申请人:浙江工业大学