CN102350729A - 一种非均质实体的制造方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非均质实体的制造方法及设备，其制造方法及步骤如下：1.首先对成形实体按设计厚度切片分层，得到实体每一层二维层片信息；2.在应用程序控制下，混合挤压成形头根据所述信息要求对供料腔中各种不同材料组分料浆按配比混合，得到制造料浆；3.在CAD软件的控制下，混合挤压成形头完成实体的第一层片制造，使二维层片内材料组分沿指定方向呈梯度连续变化；4.混合挤压成形头移动成形实体一个层片的高度，完成实体第二层片成形制造；5.重复上述方法，逐层进行，直至制得所述非均质实体。本发明制造设备适用于本发明所述制造方法，包括三维运动控制平台、多组分材料混合挤压成形头、供气及气压控制装置和控制系统。

Description

一种非均质实体的制造方法及设备

技术领域

本发明属于先进制造技术，具体为一种非均质实体的制造方法及设备。

背景技术

随着科学技术的发展，对各类零件的性能从各方面提出了更高的要求，通常单一(均质)材料的零件无法满足各类近乎苛刻的使用条件。日本科学技术厅航空宇航研究所于1987年提出了功能梯度材料(Functionally GradedMaterials，FGMs)的概念，即多种材料的组分或结构连续过渡，可同时具备几种不同材料的优良性能。而传统的材料制备方法只能形成梯度分布方向单一、结构简单的实体。快速成形(Rapid Prototyping)技术的出现，实现了制造科学上制造理论的突破，根本有别于传统的制造方法，比如去除成形、受迫成形，而是基于离散/堆积原理，将三维CAD模型沿一定方向一定厚度离散分解成不连续的层片，得到一系列层片数据。根据各种工艺各自的工艺要求，通过合理的工艺规划，生成控制成形的运动轨迹。在堆积过程中，成形工具在运动轨迹的控制下，加工出层片，并将新生成的层片与已生成部分堆积、连接，层片生成与堆积连接过程循环往复，直至整个构件加工完成。此技术有望实现非均质(包括不同材料组分的渐变和突变)实体的制造。

为了用快速成形技术制造出成形材料或结构沿一定方向梯度变化的非均质实体，Jepson等人撰写的《激光选择烧结制造功能梯度材料》(L.Jepson，J.J.Beaman，D.L.Bourell，and K.L.Wood，‘SLS Processing of FunctionallyGradient Materials，’pp.67-79，in the Proceedings of the 8^th Annual SFFSymposium，Edited by D.L.Bourell，The University of Texas，Austin，1997.)介绍了一种多材料选择性烧结技术(M²SLS)，该技术存在梯度过渡不连续的问题；Fessler等人的《形状沉积法制造金属功能梯度材料》(J.Fessler，A.Nickel，G.Link，and F.Prinz，‘Functionally Gradient Metallic Prototypes through ShapeDeposition Manufacturing，’pp.521-8 in the Proceedings of the 8^th Annual SFFSymposium，Edited by D.L.Bourell.The University of Texas，Austin，1997.)文件介绍了的形状沉积制造方法(Shape Deposition Manufacturing)，和Morvan等人撰写的《通过透镜制造非均质调速论》(S.Morvan，G.M.Fadel，J.Love，and D.Keicher，‘Manufacturing of Heterogeneous Flywheel on a LENS Apparatus，’pp.553-60 in the Proceedings of the 12th Annual SFF Symposium Edited by D.L.Bourell.The University of Texas，Austin，2001.)介绍了激光工程净成形(LaserEngineered Net Shaping)等技术。该技术虽然可实现一种材料到另一种材料的连续过渡，但精度较低，距离实际要求有很大差距。

申请号为200810053855.5的中国专利介绍了一种非均质功能构件的制造方法与装置。该方法采用打印机微喷堆积与激光扫描烧结相结合的方法，首先对非均质功能构件三维CAD模型分层得到层片数据，利用材料组分分离技术和数字半色调技术，得到层片内不同材料组分的二值化图像，通过计算机控制系统识别并读取该二值化图像信息，用读取的二值化图像信息控制打印喷头喷出一种或一种以上组分材料的打印墨水，同时用激光头对喷出的墨水进行同步扫描烧结，使墨水反应固化，逐层进行，最终制造出非均质功能构件。虽然用该方法与装置能够实现非均质功能构件的制造，但由于该方法所采用的“墨水”是预先配好并分装在不同的打印墨盒内，在打印时以按需喷射方式“打印”在指定的位置，因此“墨水”的变化在宏观上可以呈现出一定的连续性，但从微观上看，各种“墨水”尚处于离散式分布，各组分材料之间仍存在明显的微界面。另外，就现有技术来讲，实现对非均质功能构件的建模与分层、使模型和层片数据中都含有材料信息这一技术还不够成熟，实现过程比较复杂。

Jonathan Powell等人撰写的《用多层陶瓷微管共挤压制作固体氧化物燃料电池》(Jonathan Powell and Stuart Blackburn，‘Co-extrusion of MultilayeredCeramic Micro-Tubes for Use as Solid Oxide Fuel Cells，’pp.2859-2870 in theJournal of the European Ceramic Society 30(2010).)介绍了用多种组分材料共挤压制造管状固体氧化物燃料电池，通过这种方法将电解质层制作成材料呈梯度变化的多层结构，减小了材料内部力学性能和热力学参数不匹配带来的问题。该方法用挤压成形的方法在一定程度上实现了非均质实体的制造，有效地解决了燃料电池的阳极层和电介质层结合性差的问题。该技术虽然能实现材料的梯度变化，但只能制造材料梯度变化不明显的结构，并且成形的梯度变化的层数受到限制，灵活性很差，精度低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种非均质实体的制造方法及设备。该方法及设备无需通过对非均质实体建模来使模型中含有材料信息，而是通过软件方式来实现实体中材料信息的添加，且材料信息添加方式灵活；该方法及设备制造的非均质实体，宏观上，材料呈明显的梯度变化；微观上，减少了各组分材料之间的微界面，可制造出高精度的非均质实体。

本发明解决所述制造方法技术问题的技术方案是，设计一种非均质实体的制造方法，该方法基于浆料的微流挤压与多组分材料按比例实时混合相结合的方法，采用如下步骤：

(1)首先由三维CAD软件设计出不含任何材料信息的实体模型，然后根据成形实体的工艺要求，将实体模型按设计厚度切片分层，得到实体模型每一层的二维层片信息；

(2)材料信息添加软件根据二维层片内填充轮廓对材料组分的要求，控制多组分材料混合挤压成形头完成不同材料组分料浆的按比例混合，得到符合填充轮廓要求的材料组分的料浆；在常规运动控制软件的控制下，多组分材料混合挤压成形头沿X轴和Y轴方向运行，完成实体二维层片内一条填充轮廓的挤压成形；然后，根据该二维层片内下一条填充轮廓对材料组分的要求控制多组分材料混合挤压成形头按比例混合各种不同材料组分的料浆，得到该填充轮廓所需材料组分的料浆；依上所述连续按比例混合不同材料组分料浆，然后挤压成形，直至完成该二维层片的挤压成形；使二维层片内填充轮廓的材料组分沿设计方向呈梯度连续变化；所述多组分材料混合挤压成形头主要包括不同材料组分料浆配比系统和静态混合系统；

(3)在计算机的控制下，使多组分材料混合挤压成形头沿Z轴方向运动，向上移动一个实体层片的高度，采用与第(2)步一样的方法完成实体第二层片的挤压成形，同时使第一层片与第二层片粘结成一个整体；

(4)重复第(2)和(3)步方法，依次按照所述实体每一层的二维层片信息逐层进行制造，并依次粘结成一个整体，直至制得所述的非均质实体。

本发明解决所述制造设备技术问题的技术方案是，设计一种非均质实体的制造设备，其特征在于该制造设备适用于本发明所述的制造方法，包括三维运动控制平台、多组分材料混合挤压成形头、供气及气压控制装置和控制系统；所述的三维运动控制平台包括底板、龙门支架、成形平台、X向传动机构、X向精密线性模组的滑块、Y向传动机构、Y向精密线性模组的滑块、Z向传动机构和Z向精密线性模组的滑块；所述龙门支架竖直安装在底板上，成形平台安装在Y向精密线性模组的滑块上，X向传动机构固定在龙门支架上，Z向传动机构固定在X向精密线性模组的滑块上，Y向传动机构直接固定在底板上；

所述多组分材料混合挤压成形头包括料腔盖、供料腔、预混合储料腔、静态混和器、两位两通电磁阀、终料储料腔、用于连接各元件的连接导管、输送恒压气体的上气体导管、下气体导管和喷嘴；所述静态混合器包括静态混合腔及其内部填装的固体小颗粒；所述多组分材料混合挤压成形头安装在Z向精密线性模组的滑块上；

所述供气及气压控制装置主要包括气泵、减压阀、两位三通电磁阀和气体导管；

所述的控制系统包括控制装置、计算机和材料信息添加软件；控制装置通过通用扩展槽与计算机相连接。

与现有技术相比，本发明制造方法和设备基于浆料的微流挤压与多组分材料按比例实时混合相结合的方法，可根据成形实体二维层片内填充轮廓的材料组分要求实现材料组分的实时按比例混合及复杂形状的非均质实体的制造，工艺过程和制造设备简单，材料添加方式灵活，成形精度高；而且在成形过程中能很方便的给成形实体添加支撑材料，很好的解决了成形实体内部和表面变形或塌陷等问题。

附图说明

图1为本发明非均质实体的制造方法及设备一种实施例的成形过程流程示意图；

图2为本发明非均质实体的制造设备一种实施例的总体结构示意图；

图3为本发明非均质实体的制造设备一种实施例采用的多组分材料混合挤压成形头的整体外观示意图：

图4为本发明非均质实体的制造设备一种实施例采用的多组分材料混合挤压成形头的局部结构示意图：其中，图4(a)为供料腔上部的料腔盖的剖面结构示意图；图4(b)为供料腔腔口结构示意图；

图5为本发明非均质实体的制造设备一种实施例采用的多组分材料混合挤压成形头的内部剖面结构示意图：

图6为本发明非均质实体的制造设备一种实施例采用的多组分材料混合挤压成形头的局部结构示意图：其中，图6(a)为静态混合腔内固体小颗粒的截面放大图；图6(b)为供料腔内活塞的剖面结构示意图；

图7为本发明非均质实体的制造方法及设备一种实施例的材料信息添加软件程序流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和其附图对本发明作进一步说明，实施例是以本发明技术方案为前提下进行的一种实施，给出了详细的实施方式和过程，但本申请权利要求不受限于实施例。

本发明设计的非均质实体的制造方法(简称制造方法，参见图1)基于浆料微流挤压与多组分材料实时按比例混合相结合的方法，采用如下步骤：

(1)首先由三维CAD软件设计出不含任何材料信息的实体模型，然后根据成形实体的工艺要求，将实体模型按设计厚度切片分层，得到实体每一层的二维层片信息。

所述三维CAD实体模型中不含有任何材料组分信息，用其分层得到的层片数据也不含有任何材料组分信息，实体中材料信息是在二维层片成形过程中，通过专门软件沿设计指定的梯度方向添加的；所述二维层片内任意一条填充轮廓的材料组分均是均匀的，但二维层片内不同填充轮廓的材料组分可以不同，最终使二维层片内的材料呈梯度(包括线性、非线性或线性与非线性相结合)变化。

(2)材料信息添加软件根据二维层片内填充轮廓对材料组分的要求，控制多组分材料混合挤压成形头完成不同材料组分料浆的按比例配料混合，得到符合填充轮廓要求的材料组分的料浆；在常规运动控制软件的控制下，多组分材料混合挤压成形头沿X轴和Y轴方向运行，完成实体二维层片内一条填充轮廓的挤压成形；然后，根据该二维层片内下一条填充轮廓对材料组分的要求控制多组分材料混合挤压成形头按比例混合各种不同材料组分的料浆，得到该填充轮廓所需材料组分的料浆，如此连续按比例配料混合不同材料组分料浆然后挤压成形，直至完成该二维层片的挤压成形；使二维层片内填充轮廓的材料组分沿设计指定的方向呈梯度连续变化。所述实体成形用料浆在密闭容器内为液态，且粘度较低，流动性好，该料浆与空气接触时，能迅速凝固，且有一定的黏性。

(3)在计算机的控制下，使多组分材料混合挤压成形头沿Z轴方向运动，向上移动一个实体层片的高度，采用与第(2)步一样的方法完成实体第二层片的挤压成形，同时使第一层片与第二层片粘结成一个整体。

(4)重复第(2)和(3)步方法，依次按照所述实体每一层的二维层片信息逐层进行，并依次粘结成一个整体，直至制得所述的非均质实体。

本发明制造方法的创新点之一是采用了一种新型的静态混合技术。该静态混合技术采用固体小颗粒作为混合元件，一方面可得到很好的混合效果，另一方面可通过改变固体小颗粒的大小控制料浆混合的均匀程度；同时成形料浆在内部气体预压力的作用下，能快速通过静态混合器，减少了混合产生的时间滞后，灵活性高，使用方便。与传统的静态混合技术相比，本发明静态混合技术更适合用于混合微量料浆；与动态混合技术相比，本发明静态混合技术降低了硬件成本，避免了动态混合时产生的噪声，而且，该静态混合技术使用的静态混合器的成本低，结构简单，便于操作，可以用于各种材料组分料浆的混合，更具有普遍适用性。

本发明制造方法的创新点之二是，实体的材料信息添加是通过专门软件即材料信息添加软件来实现的。实体材料信息添加软件是以二维层片内填充轮廓为基本单元，层片内任意一条填充轮廓的材料组分均是均匀的，二维层片内各条填充轮廓的材料组分互不相同，这样在二维层片内以填充轮廓为基本单元的材料呈梯度变化。材料信息添加软件在二维层片内添加材料信息的方式有三种：线性方式、非线性方式和线性与非线性相结合方式。线性方式是二维层片内填充轮廓的材料组分沿设计指定方向呈线性变化，非线性方式是二维层片内填充轮廓的材料组分沿设计指定方向呈非线性变化，线性与非线性相结合的方式是根据二维层片内材料梯度变化的要求或实体内部对材料性能的要求，材料沿设计指定方向呈线性与非线性相结合的方式变化。这三种材料信息添加方式主要根据成形实体性能要求来选择。

本发明同时设计了所述非均质实体的制造设备(简称制造设备，参见图2、3、4、5和6)，其特征在于该制造设备适用于本发明所述非均质实体的制造方法，包括三维运动控制平台1、多组分材料混合挤压成形头2、供气及气压控制装置3和控制系统；所述的三维运动控制平台包括底板11、龙门支架12、成形平台13、X向传动机构14、X向精密线性模组的滑块15、Y向传动机构16、Y向精密线性模组的滑块17、Z向传动机构18和Z向精密线性模组的滑块19；所述龙门支架12竖直安装在底板11上，成形平台13安装在Y向精密线性模组的滑块17上，可使成形平台13沿Y方向移动；X向传动机构14固定在龙门支架12上，Z向传动机构18固定在X向精密线性模组的滑块15上，Y向传动机构16直接固定在底板11上；所述的X向传动机构14、Y向传动机构16和Z向传动机构18均由伺服电机和精密线性模组构成；所述的X向精密线性模组、Y向精密线性模组和Z向精密线性模组是采用直线导轨和滚珠丝杠为执行元件的结构；

本发明设计的多组分材料混合挤压成形头2(简称成形头，参见图3)包括料腔盖21、供料腔29、预混合储料腔217、静态混合腔216、固体小颗粒218(参见图6(a))、两位两通电磁阀(210、219、226、211、215和213)、终料储料腔214、用于连接各元件的连接导管(220、221、222、223、225和227)、输送恒压气体的上气体导管224、下气体导管212及喷嘴26，其中预混合储料腔217与静态混合腔216结构相同，但功能不同：预混合储料腔217用于存储按比例配比好的不同材料组分料浆，静态混合腔216和其内部填装的固体小颗粒218共同构成静态混合器(216和218)，固体小颗粒218可起到混合均匀作用，有助于实现料浆的均匀混合；所述固体小颗粒218的体积越大，料浆混合效果越不明显，体积越小，料浆混合效果越明显。本发明中所述固体小颗粒为金属或非金属氧化物，包括二氧化硅、氧化铝或氧化铜等，小颗粒直径为0.5～2mm；所述静态混合腔内装满所述固体小颗粒。所述料腔盖21(参见图4(a))上部带气孔22和料腔盖固定装置23，所述供料腔29内安装活塞28(参见图6(b))，供料腔29上部带有固定装置24(参见图4(b))，并且与料腔盖21上的固定装置23互相配合，实现料腔盖21的固定。所述料腔盖21由橡胶材料构成，实施例为白色橡胶。料腔盖21的下部带有螺纹，该螺纹能增大料腔盖21与供料腔29之间的结合力和气密性；所述活塞28由橡胶材料构成，实施例为白色橡胶。

本发明设计的成形头2的进一步特征是，所述成形头2是以设计厚度、长度和宽度的有机玻璃板为基体，应用激光内雕刻技术将供料腔29、预混合储料腔217、静态混合腔216、终料储料腔214、连接各元件的连接导管(220、221、222、223、225和227)、上气体导管212和下气体导管224等零部件内雕刻于所述有机玻璃板基体上加工成的多组分材料混合挤压成形一体头，所述预混合储料腔217上部有可以通入恒压气体的上气体导管224，所述终料储料腔214的上部有可以通入恒压气体的下气体导管212，通过上气体导管224和下气体导管212分别向预混合储料腔217和终料储料腔214内料浆提供气体预压力；供料腔29与预混合储料腔217用连接导管220、221和225分别相连，并用两位两通电磁阀226、219和210分别控制连接导管220、221和225的通断，预混合储料腔217与静态混合腔216用连接导管222相连，并用两位两通电磁阀211控制连接导管222的通断，静态混合腔216与终料储料腔214用连接导管227相连，并用两位两通电磁阀215控制连接导管227的通断，终料储料腔214与外部喷嘴26用连接导管223相连，并用两位两通电磁阀213控制连接导管223的通断。所述两位两通电磁阀(210、219、226、211、215和213)均内嵌于所述有机玻璃板内；当需要用更多种不同材料组分料浆制造非均质实体时，可以用增加供料腔29的个数来实现(本实施例为B、C和D三个)，其它结构不变。

本发明成形头2由于全部为透明的有机玻璃材料，因此可以看见成形过程中材料的状态变化，及时发现成形过程中产生的问题，实现了对非均质实体成形过程的可视化。成形头2安装在Z向精密线性模组的滑块19上，可以沿X、Z方向移动；成形头2主要完成各种不同材料组分料浆的按比例配料混合及料浆的挤压。

本发明所述供气及气压控制装置包括气体导管依次连接的气泵32、减压阀31和两位三通电磁阀33。

本发明所述控制系统包括控制装置41和计算机42及材料信息添加软件；控制装置41通过计算机42的通用扩展槽与计算机42相连接；材料信息添加软件配装在计算机42内。

本发明所述控制装置41是设备的控制中心，实施例是由各个分立器件构成的控制柜；计算机42主要负责给出控制系统具体的控制算法，控制系统的管理、程序相关参数的设定、系统状态的显示、控制系统数据的采集、各种开关信号和反馈信号的处理等工作，并由控制装置41来完成控制信号的输出。

本发明所述的多组分材料混合挤压成形头2安装在Z向精密线性模组的滑块19上，可以沿X、Z方向移动；成形平台13安装在Y向精密线性模组的滑块17上，可以沿Y方向移动；通过多组分材料混合挤压成形头2与成形平台13的运动配合，可顺利完成非均质实体的制造。

本发明中的成形头2能够将多种不同材料组分料浆实时按比例混合得到实体成形所需料浆，其中供料腔B、供料腔C和供料腔D内分别装有不同材料组分的一种料浆，为实体成形提供原料浆。所述料腔盖21中间带有气孔22，在实体成形过程中，通过气孔23分别向供料腔B、供料腔C和供料腔D内通入恒压气体。所述恒压气体通过活塞28(参见图6(b))对料浆施加恒定的气体预压力，使供料腔(B、C和D)内的料浆能快速的进入预混合储料腔217中，从而使各种不同材料组分的料浆在预混合储料腔217内实现预混合。在实体成形过程中，通过控制电磁阀210、电磁阀226和电磁阀219的开闭时间，实现对供料腔B、供料腔C和供料腔D内料浆供料量的控制；进入预混合储料腔217的料浆在经气体导管224通入的恒定气体产生的气体预压力的作用下快速通过由电磁阀211控制的连接导管222进入装满固体小颗粒218的静态混合腔216，实现各种不同材料组分料浆的均匀混合。经混合均匀后的料浆最后经由电磁阀215控制的连接导管227流入终料储料腔214，准备成形使用。当实体成形开始后，通过控制电磁阀213的开闭时间，并在经气体导管212中通入的恒压气体预压力的作用下，实现实体的挤压成形。

本发明制造方法创新性提出了一种用软件控制成形设备添加材料信息来制造非均质实体的制造方法。为了实现不同材料组分料浆能够按比例配料，本发明采用了两位两通电磁阀(210、219和216)作为料浆流量的控制元件。该两位两通电磁阀(210、219和216)为脉冲控制电磁阀，电磁阀脉冲响应频率应与控制系统脉冲发生频率相匹配，根据各种不同材料组分料浆的粘度的不同可得出不同材料组分料浆在相同气体预压力下的流量值。成形制造过程中，计算机控制系统发送脉冲控制信号给两位两通电磁阀(210、219和216)，两位两通电磁阀(210、219和216)接到高电平时打开，根据料浆的流量，计算一定量的料浆流入预混合储料腔217的时间，通过软件控制两位两通电磁阀开关(210、219和216)的开闭时间完成料浆的按比例配料。供料腔29中通入恒定压力的气体，为料浆按比例配料提供气体预压力。所述气体由气泵32产生，经过减压阀31的控制转换成恒压气体。预混合储料腔217中的气体预压力使预混合储料腔217中料浆加快通过静态混合器的速度，减少混合时间和此过程造成的成形滞后时间，终料储料腔214中的气体预压力为混合均匀的料浆由喷嘴26挤出成形提供气体预压力，预混合储料腔217和终料储料腔214中通入的气体均由两位三通电磁阀33控制。该电磁阀33为常闭型两位三通电磁阀，未通电时，是关闭状态。预混合储料腔217与终料储料腔214通过三通电磁阀33的排气孔与外界相通，使内外气压相等，料浆能够更容易的流入预混合储料腔217和终料储料腔214。

在制造非均质实体过程中，本发明制造方法和设备采用所述材料信息添加软件添加材料信息的方法如下(参见图7)：

(1)首先按照由内向外或由外向内的添加顺序，读取第一个层片中的填充轮廓信息并对层变量赋值N＝1；

(2)选择材料信息添加方式：线性方式、非线性方式或线性与非线性相结合的方式，根据所选择的材料信息添加方式和由内向外或由外向内的添加顺序，确定各种不同材料组分料浆占每条填充轮廓总料浆的体积分数，并将所占的体积分数存储在链表中；

(3)层片内填充轮廓是由一系列二维坐标点首尾相接形成，结合成形用喷嘴直径依次循环求得每条填充轮廓的体积，根据各种不同材料组分料浆占每条填充轮廓总料浆的体积分数和每条填充轮廓的体积，计算求得每条填充轮廓中各种不同材料组分料浆在填充轮廓中所占实际体积；

(4)当气体预压力、料浆粘度和流道直径一定时，求得各种不同材料组分料浆的流量值，根据各种材料组分料浆的流量值及它们在填充轮廓中所占的体积将体积值转换为时间值，并将该值存储在链表中，该时间值作为控制电磁阀打开的控制时间控制料浆的按比例配比，实现材料信息的添加；

(5)当完成第一层片材料信息添加以后，程序询问是否是最后一层？如果“否”，则返回步骤(2)并对层变量赋值N＝N+1；如果“是”，则完成工作。

本发明未述及之处适用于现有技术。

下面根据本发明的技术方案给出具体实施例。本发明权利要求不受实施例的限制：

实施例1

采用本发明所述的制造方法及设备制造长50mm，直径3mm的固体氧化物燃料电池。设置材料信息添加控制软件中材料添加方式为线性方式，喷嘴直径100μm。其过程如下：

首先运用三维CAD软件设计出固体氧化物燃料电池三维实体模型(参见图1)，然后根据产品设计工艺要求，将其按设计层厚进行切片分层，层数为500，每一层的切片厚度为100μm，计算机连续读取二维层片信息，控制软件根据材料信息添加方式，通过控制成形头2内两位两通电磁阀210的开闭时间实现各种不同材料组分料浆按比例配料后流入预混合储料腔217，在预混合储料腔217内气体预压力的作用下，料浆经过静态混合器混合均匀后流入终料储料腔214，得到成形所需料浆，然后根据计算机读取的二维层片第一条轮廓信息，通过控制系统控制各成形机构协调运动及成形头2喷嘴26的开闭完成二维层片内第一条填充轮廓的挤压成形，接着计算机读取二维层片内第二条填充轮廓，控制软件根据材信息添加方式通过控制系统控制成形头2为第二条填充轮廓按比例配料混合所需材料组分料浆，通过控制系统控制各成形机构协调运动及成形头喷嘴的开闭完成第二条轮廓的挤压成形，第一条填充轮廓与第二条填充轮廓粘结，如此反复，一条条轮廓挤压成形完成固体氧化物燃料电池一层的成形制造，接着，计算机把下一层的信息传递给控制系统，完成固体氧化物燃料电池第二层的成形制造，重复上述层片成形过程直至所有层片成形完毕，即快速制造出固体氧化物燃料电池。

用该方法制得的固体氧化物燃料电池的电解质层具有非常明显的材料梯度变化规律，增强了阳极层与电解质层的结合性，减少了固体氧化物燃料电池在烧结时因阳极层与阴极层结合性差而导致的层脱落现象。

实施例2

与实施例1基本相同。所不同的是，设置材料信息添加控制软件中材料添加方式为非线性方式，制得的固体氧化物燃料电池其电解质层材料梯度变化均匀程度提高了25％，大大提高了该固体氧化物燃料电池的可实用性。

实施例3

与实施例1基本相同。所不同的是，设置材料信息添加控制软件中材料添加方式为线性和非线性相结合的方式，制得的固体氧化物燃料电池其电解质层材料梯度变化均匀程度提高了40％，不但大大提高了该固体氧化物燃料电池的可实用性，而且进一步降低了固体氧化物燃料电池在烧结时因阳极层与阴极层结合性差而导致的层脱落现象。

实施例4

采用本发明所述的制造方法及设备制造长100mm的人体髋关节模型，设置材料信息添加控制软件中材料添加方式为线性方式，喷嘴直径1mm。其过程如下：

首先运用三维CAD软件设计出髋关节三维实体模型(参见图1)，然后根据产品设计工艺要求，将其按设计层厚进行切片分层，层数为100，每一层的切片厚度为1mm，计算机连续读取二维层片信息，控制软件根据材信息添加方式，通过控制成形头2内两位两通电磁阀210的开闭时间实现各种不同材料组分料浆按比例配料后流入预混合储料腔217，在预混合储料腔217内气体预压力的作用下，料浆经过静态混合器混合均匀后流入终料储料腔214，得到成形所需料浆，然后根据计算机读取的二维层片第一条轮廓信息，通过控制系统控制各成形机构协调运动及成形头2喷嘴26的开闭完成二维层片内第一条填充轮廓的挤压成形，接着计算机读取二维层片内第二条填充轮廓，控制软件根据材信息添加方式通过控制系统控制成形头2为第二条填充轮廓按比例配料混合所需材料组分料浆，通过控制系统控制各成形机构协调运动及成形头喷嘴的开闭完成第二条轮廓的挤压成形，第一条填充轮廓与第二条填充轮廓粘结，如此反复，一条条轮廓挤压成形完成髋关节一层的成形制造，接着，计算机把下一层的信息传递给控制系统，完成固体氧化物燃料电池第二层的成形制造，重复上述层片成形过程直至所有层片成形完毕，即可快速制造出髋关节模型。

用该方法制得的髋关节模型内部材料梯度变化非常均匀，并且具有很高的硬度和韧性，十分接近真实人体髋关节的性能。

实施例5

与实施例3基本相同。所不同的是，设置材料信息添加控制软件中材料添加方式为非线性方式，制得的髋关节模型其内部材料按非线性规律呈梯度变化，比按线性方式添加材料信息在硬度和韧性方面分别提高了20％和19％，提高了髋关节模型的性能。

实施例6

与实施例3基本相同。所不同的是，设置材料信息添加控制软件中材料添加方式为线性和非线性相结合的方式，制得的髋关节模型其内部拥有更接近于真实人体髋关节材料的梯度变化规律，比只按线性方式或非线性方式添加材料信息在硬度和韧性方面分别提高了35％和28％。具有更加接近真实人体髋关节模型的性能。

Claims (6)

1.一种非均质实体的制造方法，该方法基于浆料的微流挤压与多组分材料按比例的实时混合，采用如下步骤：

(1)首先由三维CAD软件设计出不含任何材料信息的实体模型，然后根据成形实体的工艺要求，将实体模型按设计厚度切片分层，得到实体模型每一层的二维层片信息；

(2)材料信息添加软件根据二维层片内填充轮廓对材料组分的要求，控制多组分材料混合挤压成形头完成不同材料组分料浆的按配比混合，得到符合填充轮廓要求的材料组分的料浆；在常规运动控制软件的控制下，多组分材料混合挤压成形头沿X轴和Y轴方向运行，完成实体二维层片内一条填充轮廓的挤压成形；然后，根据该二维层片内下一条填充轮廓对材料组分的要求控制多组分材料混合挤压成形头按比例混合各种不同材料组分的料浆，得到该填充轮廓所需材料组分的料浆；依上所述连续按配比混合不同材料组分料浆，然后挤压成形，直至完成该二维层片的挤压成形；使二维层片内填充轮廓的材料组分沿设计方向呈梯度连续变化；所述多组分材料混合挤压成形头主要包括不同材料组分料浆配比系统和静态混合系统；

(3)在计算机的控制下，使多组分材料混合挤压成形头沿Z轴方向运动，向上移动一个实体层片的高度，采用与第(2)步一样的方法完成实体第二层片的挤压成形，同时使第一层片与第二层片粘结成一个整体；

(4)重复第(2)和(3)步方法，依次按照所述实体每一层的二维层片信息逐层进行制造，并依次粘结成一个整体，直至制得所述的非均质实体。

2.根据权利要求1所述非均质实体的制造方法，其特征在于所述材料信息添加软件在二维层片内添加材料信息的方式有三种：线性方式、非线性方式和线性与非线性相结合方式。

3.一种非均质实体的制造设备，其特征在于该制造设备适用于本发明所述的制造方法，包括三维运动控制平台、多组分材料混合挤压成形头、供气及气压控制装置和控制系统；所述的三维运动控制平台包括底板、龙门支架、成形平台、X向传动机构、X向精密线性模组的滑块、Y向传动机构、Y向精密线性模组的滑块、Z向传动机构和Z向精密线性模组的滑块；所述龙门支架竖直安装在底板上，成形平台安装在Y向精密线性模组的滑块上，X向传动机构固定在龙门支架上，Z向传动机构固定在X向精密线性模组的滑块上，Y向传动机构直接固定在底板上；

所述多组分材料混合挤压成形头包括料腔盖、供料腔、预混合储料腔、静态混和器、两位两通电磁阀、终料储料腔、用于连接各元件的连接导管、输送恒压气体的上气体导管、下气体导管和喷嘴；所述静态混合器包括静态混合腔及其内部填装的固体小颗粒；所述多组分材料混合挤压成形头安装在Z向精密线性模组的滑块上；

所述供气及气压控制装置主要包括气泵、减压阀、两位三通电磁阀和气体导管；

所述的控制系统包括控制装置、计算机和材料信息添加软件；控制装置通过通用扩展槽与计算机相连接。

4.根据权利要求3所述非均质实体的制造设备，其特征在于所述多组分材料混合挤压成形头是以设计的厚度、长度和宽度的有机玻璃板为基体，应用激光内雕刻技术将供料腔、料腔盖、活塞、预混合储料腔、静态混和腔、终料储料腔、用于连接各元件的连接导管和输送恒压气体的上、下气体导管内雕刻于所述有机玻璃板基体上，加工成为多组分材料混合挤压成形一体头；所述供料腔、预混合储料腔、静态混和腔和终料储料腔之间均通过内雕刻于有机玻璃板上的导管相连；所述两位两通电磁阀均为内嵌于所述有机玻璃板内；所述供料腔部分外露于有机玻璃板，供料腔外露于有机玻璃基体部分其顶部左右两侧各带有一个固定装置；所述料腔盖中心带有一个连接气体导管用的接口，其左右两侧各带有一个与上述供料腔上部固定装置相互配合使用的固定装置，所述预混合储料腔和终料储料腔的上部均带有通入恒压气体的气体导管，通过气体导管向预混合储料腔、静态混合器和终料储料腔内料浆提供气体预压力。

5.根据权利要求3所述非均质实体的制造设备，其特征在于所述固体小颗粒为金属或非金属氧化物，包括二氧化硅、氧化铝或氧化铜，固体小颗粒直径为0.5～2mm；所述静态混合腔内装满所述的固体小颗粒。

6.根据权利要求3所述非均质实体的制造设备，其特征在于所述料腔盖和活塞均由橡胶材料构成；料腔盖的下部带有螺纹。

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