一种梯度材料结构的3d打印方法
【技术领域】
[0001]3D打印及梯度功能材料制造领域。
【背景技术】
[0002]3D打印是近年来较为热门的加工制造技术，其具有较快的加工速度并能够加工各种形状复杂的零部件。但目前金属的3D打印仍局限于单一材料的结构的打印，在同一结构中混合使用不同的材料以打印具有梯度性能特征的3D打印方法将是一种创新的、极具发展潜力的加工技术。
[0003]功能梯度材料(FGM)是指材料的化学构成、微观结构和原子排列由一侧向另一侧呈连续梯度变换，从而使材料的性质和功能连续地呈梯度变换。由于功能梯度材料的这种梯度性能特征，使得其具有一般复合材料无法比拟的优点，因而具有极高的应用价值和研宄前景。目前功能梯度材料的制备方法主要有:自蔓延高温合成法、等离子喷涂法、激光熔覆法、粉末冶金法、电沉积法、物理气相沉积法、化学气相沉积法等。而功能梯度材料的发展方向是探索、开发大尺寸和复杂形状的FGM制备工艺；开发效率高，成本低廉且设备系统操作简单，适用于工业化生产的FGM制备工艺。(马涛，赵忠民，刘良祥，高超，黄雪刚.功能梯度材料的研宄进展及应用前景[J].化工科技，2012，01:71-75.)
[0004]在复合材料的3D打印方面，机械科学研宄总院的单忠德等人的专利《一种复合材料零部件3D打印成形方法》(公开号:CN104385606A)公开了一种复合材料零部件3D打印成形方法，采用了增强体排布与基体喷射沉积逐层交替进行的打印方法。该方法是在使用一种材料进行打印时，在打印层之间添加了增强材料层，属于复合材料而非功能梯度材料的打印。
[0005]在梯度结构的3D打印方面，大连理工大学的吴东江等人的专利《一种激光3D打印陶瓷功能梯度结构件的方法》(公开号:CN103317590A)公布了一种陶瓷功能梯度结构件的激光3D打印方法，利用激光3D打印系统以不同的陶瓷粉末为原材料成形功能梯度结构件。
【发明内容】
[0006]本发明的目的克服现有技术的不足，本发明实现功能梯度材料结构和复合材料结构的快速加工制造以及复杂形状功能梯度材料和复合材料结构的快速制造。
[0007]为此，给出的技术方案为:
[0008]一种可以实现多种材料混合打印，加工出具有梯度渐变力学性质和物理属性的结构的方法，依托的系统构造主要包括计算机控制系统、铺粉机构、激光打印系统、打印工作台、XY坐标机构。
[0009]激光打印系统包括激光发生器2、激光打印头7，激光发生器2用于产生激光；激光打印头用于烧结打印。
[0010]XY坐标机构6用于激光打印头和铺粉喷头的定位及路径运动。
[0011]其特征在于，
[0012]铺粉机构包括送粉控制器3、送粉气罐4、气流控制阀5、铺粉喷头8、铺粉装置9，
[0013]该铺粉机构具有两套机构一一铺粉喷头8和铺粉装置9，这两套机构的选择需根据零部件层片信息来决定，若当前层片由单一材料组成，则使用铺粉装置9;若当前层片由多种材料组成，则使用铺粉喷头8 ;
[0014]送粉控制器3用于存储原材料粉末和送粉控制；气罐4用于存储送粉气体；气流控制阀5用于控制气体流量及流速。
[0015]计算机I用于零部件的三维建模，对三维模型进行分层并得到每层材料组分信息、轮廓信息，进行打印路径规划，以及对激光发生器2、送粉控制器3、气流控制阀5、XY坐标机构6、成型活塞11的控制。
[0016]基于上述系统硬件支持，本发明主要涉及了打印梯度材料结构件的激光烧结3D打印方法，利用铺粉装置9或者铺粉喷头8在打印工作台10上铺设打印层粉末，然后使用激光打印头7在铺设的打印层上进行每层的打印，在打印完一层之后成型活塞11下降一个打印层的高度，然后循环铺粉一打印一成型活塞下移，直到一个零件打印完成；
[0017]在铺粉过程中，计算机需根据存储的层片中的材料组分信息、铺粉装置的选择信息、铺粉路径信息选择铺粉装置，并控制铺粉的原材料及其组分，并按照预定的路径铺粉。
[0018]在材料梯度变化的部位，需要对层片进行细分，或者对层片在水平方向依据材料的梯度变化进行细分，在所述细分的部位通过调节材料的组分以实现结构材料的梯度渐变。
[0019]对初步划分的层片中的梯度渐变层和复合层进行进一步层片细分。对于纵向梯度材料层，沿纵向再切割成若干层；对于横向梯度材料层，使用等值线的形式依据打印层轮廓信息将其划分为若干等值区域；对于横向复合材料层，按照材料情况划分边界。细分层数及划分等值线的密度依据具体打印设备的性能及零部件的打印精度要求而定。
[0020]在用计算机对零部件进行分层及层片细分处理后，层片信息不仅包括层片的外形轮廓及层厚，还包括层片的材料组分信息、铺粉装置的选择信息、铺粉路径信息、打印路径信息。
[0021]零部件的分层方法、层片信息、细分策略由零部件本身的材料分布、结构形状轮廓等决定。
[0022]本发明实现功能梯度材料结构和复合材料结构的快速加工制造以及复杂形状功能梯度材料和复合材料结构的快速制造。本发明突破了目前金属的3D打印仍局限于单一材料的结构的打印，在同一结构中混合使用不同的材料以打印具有梯度性能特征的3D打印方法将是一种创新的、极具发展潜力的加工技术。
【附图说明】
[0023]图1为本梯度材料结构的3D打印方法原理示意图。
[0024]图2为梯度材料结构的3D打印方法三维示意图。
[0025]图3为铺粉喷头结构示意图。
[0026]图4示例打印零部件及分层示意图。
[0027]其中:1_计算机、2_激光发生器、3_送粉控制器及粉桶、4_送粉气鍾、5_气流控制阀、6-XY坐标机构、7-激光头、8-铺粉喷头、9-铺粉装置、10-打印工作平台、11-成型活塞、12-未烧结原材料粉末、13-成型零部件、14-打印层。
【具体实施方式】
[0028]本发明提出的一种打印梯度材料结构的3D打印方法，是一种可以实现多种材料混合打印，加工出具有梯度渐变力学性质和物理属性的结构的方法。该种3D打印方法可实现N(N> = I)种材料的混合打印，现以4种材料的梯度3D打印为例来说明本发明的具体内容，该示例并不用于限制本发明，在本发明的原则之内，对材料种类数量的增减、装置的等同替换等均在本发明的保护范围之内。
[0029]图1所示为本梯度材料结构打印方法发明的原理示意图，其中标号含义为:1_计算机、2-激光发生器、3-送粉控制器及粉桶、4-送粉气罐、5-气流控制阀、6-XY坐标机构、
7-激光头、8-铺粉喷头、9-铺粉装置、10-打印工作平台、11-成型活塞、12-未烧结原材料粉末、13-成型零部件、14-打印层。其中，计算机I用于零部件建模、模型分层、打印路径规划以及对激光发生器2、送粉控制器3和气流控制阀5的控制；激光发生器2用于产生激光；送粉控制器3用于存储原材料粉末和送粉控制；气罐4用于存储送粉气体；气流控制阀5用于控制气体流量及流速；XY坐标机构6用于激光打印头和铺粉喷头的定位及路径运动；激光打印头用于烧结打印；铺粉喷头8用于混合原材料粉末和铺设打印层粉末；铺粉装置9也是用于铺设打印层粉末；成型活塞11用于在每打印完一层之后，向下移动一个打印层的高度，以保证打印在工作平面上进行；12为未烧结的原材料粉末，可作为打印的支撑物；14为打印层，每一个打印层都有特有的打印信息。
[0030]本发明主要涉及了采用激光烧结的方法打印梯度材料结构件，利用铺粉装置9或者送粉控制器3和铺粉喷头8在打印工作台10上铺设打印层粉末，然后使用激光打印头7在铺设的打印层上进行每层的打印，在打印完一层之后成型活塞11下降一个打印层的高度，然后循环铺粉一打印一成型活塞下移，直到一个零件打印完成。
[0031]上述的梯度材料结构的3D打印方法，可用于打印梯度功能材料及复合材料，打印梯度材料时，所使用的不同材料之间应具有较好化学及物理相容性。
[0032]上述的梯度材料结构的3D打印方法，需要在计算机中进行零部件的三维建模，并对三维模型进行分层并得到每层材料组分信息、轮廓信息、打印路径信息。分层软件在进行分层时，应考虑如何分层才能使得层片信息尽量简单(如尽量使得单一材料层多，尽量使得轮廓简单等)以方便打印。
[0033]上述的梯度材料结构的3D打印方法，在材料梯度变化的部位，需要对层片进行细分，或者对层片在水平方向依据材料的梯度变化进行细分，在细分的部位通过调节材料的组分以实现结构材料的梯度渐变。
[0034]上述的梯度材料结构的3D打印方法，具有两套铺粉机构——铺粉喷头8和铺粉装置9，这两套铺粉机构的选择需根据零部件层片信息来决定，若当前层片由单一材料组成，则使用铺粉装置9 ;若当前层片由多种材料组成，则使用铺粉喷头8。其中铺粉装置9非常适用于打印分层的复合材料，铺粉喷头8适用于打印材料渐变的梯度结构。
[0035]上述的梯度材料结构的3D打印方法，其送粉控制器3中具有N (N〉= I)种原材料粉末，每种原材料粉末的送粉量和送粉速率均可由送粉控制器3进行控制，而送粉量和送粉速率由当前打印层的层片信息决定。
[0036]上述的梯度材料结构的3D打印方法，其铺粉喷头8具有一个气体入口和多个送粉口，能够对送入喷头的粉末进行均匀混合