CN103480843A - 一种基于三缸成型机的复合材料零件的3d打印方法 - Google Patents

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杨永强
叶梓恒
宋长辉
王迪
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    • Y02P10/25—Process efficiency

Abstract

本发明公开了一种基于三缸成型机的复合材料零件的3D打印方法，包括如下步骤：用三维软件设计零件模型；在三维模型的基础上，对不同材质的零件进行标识，同一材质的零件，使用同一种标识，不同材质的零件采用不同的标识；然后三维模型进行切片分层处理；在3D打印机的粉末缸中分别预存所需的一种粉末材料，控制3D打印机的系统根据三维模型切片的轮廓信息，并控制两个送粉缸给成型缸供粉，激光熔化烧结粉末，这样完成一层加工；控制成型缸下降一个层厚，重复铺粉的步骤，层与层堆积，一次直接完成复合材料的3D打印制造。本发明充分利用金属材料和非金属材料的优异性能，实现零件结构轻量化以及结构属性与功能属性的结合。

Description

一种基于三缸成型机的复合材料零件的3D打印方法
技术领域
本发明涉及复合材料零件成型制造技术，尤其涉及一种基于三缸成型机的复合材料零件的3D打印方法。
背景技术
相对于车铣刨磨等传统机加工，金属3D打印作为一种增材制造方式（Addictive Manufacturing），可以制造各种复杂结构，充分发挥材料的效能比，是未来绿色制造的主要方式之一。它的优势在于拓展产品创意创新空间，设计人员不再受传统工艺和制造资源约束，并降低产品研发创新成本，缩短研发周期，增强工艺制造能力，因而在航空航天、生物医疗、工业模具、汽车制造等工业领域都有独具特色的应用前景，尤其是在小批量多品种的航空航天应用和个性化医疗器械中，优势更为明显。
选区激光熔化技术(SLM)和电子束熔化成型技术(EBM)是目前金属零件“3D打印”制造的重要方式。
金属零件选区激光熔化快速成型技术（SLM）是集CAD/CAM、数字控制技术、快速成型于一体的先进制造技术，成为了传统加工成形方法的重要补充。选区激光熔化技术可以根据三维模型来直接生产出各种复杂的金属零件，能使加工成本和时间得到有效的降低，从而大大地缩短了新产品的研发周期，非常适应现代制造业快速化，个性化，柔性化发展的需求，在生物医疗，航空航天，模具量具和国防工业等制造领域具有十分广阔的应用前景。
金属零件电子束熔化技术（EBM）是电子束加工与快速制造技术相结合而产生的一种新技术，不仅可以充分利用电子束真空加工环境、高能量密度、扫描速度快、精密控制等优点，而且能够发挥快速制造无需工模具、开发周期短及制造成本低等优势，预计将在汽车、航空航天及医疗器械等领域得到快速发展和应用。
目前的金属3D打印制造方法大多仅适用于单种材料的零件成型，复合材料零件的成型技术尚未成熟。然而，复合材料零件拥有更优异的性能，更符合零件结构轻量化以及结构属性与功能属性的结合，因此它的成型成为工业发展的趋势。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于三缸成型机的复合材料零件的3D打印方法，该方法能克服传统金属3D打印制造中成型单种材料零件的缺点，充分利用各种材料的优异性能，实现零件结构轻量化以及结构属性与功能属性的结合。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于三缸成型机的复合材料零件的3D打印方法，包括如下步骤：
用三维软件设计零件模型；
在三维模型的基础上，对不同材质的零件进行标识，同一材质的零件，使用同一种标识，不同材质的零件采用不同的标识；
然后三维模型进行切片分层处理；
在3D打印机的粉末缸中预存所需的两种粉末材料，控制3D打印机的系统根据三维模型切片的轮廓信息，并控制两个送粉缸给成型缸供粉，激光熔化烧结粉末，这样完成一层加工；
控制成型缸下降一个层厚，重复铺粉的步骤，层与层堆积，一次直接完成复合材料的3D打印制造。
相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：
（1）、本发明可以制造具有任意复杂内部结构的零件。
（2）、可操作性强，生产效率高。计算机识别零件所需的材料，采用两个送粉缸按需要给成型缸送粉，可实现复合材料零件的3D打印制造。
（3）、材料适用范围广。本发明中成型零件材料可以为高温合金材料，如镍基合金、不锈钢，或者钛合金等具有高熔点的材料，也可以是对激光反射率很高，且熔化潜热很高，不易氧化的材料，如金银铜铝，还有一些易氧化的金属或者合金，难熔的金属或者合金材料、纯度要求极高的半导体等材料，而且不限于金属材料，非金属材料也应包含在此方法内，因而适用范围广。
（4）、本发明充分利用金属材料和非金属材料的优异性能，实现零件结构轻量化以及结构属性与功能属性的结合。
附图说明
图1为Kagome夹芯板单胞示意图；图中：B为各单胞之间的间距，Hc为芯子高度，Rc为杆的横截面半径，Lc为杆长，ω为杆与面板的夹角。
图2为Kagome夹芯板成型示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
本发明基于三缸成型机的复合材料零件的3D打印方法，包括如下步骤：
用三维软件（SolidWorks,ProE,UG等）设计零件模型，或者用逆向工程（CT扫描，三维扫描仪等）反求零件的三维模型；
在三维模型的基础上，对不同材质的零件进行标识，同一材质的零件（或者零件某一部分），使用同一种标识，不同材质的零件采用不同的标识；
然后三维模型进行切片分层处理；
在3D打印机的粉末缸中预存所需的两种粉末材料，控制3D打印机的系统根据三维模型切片的轮廓信息，并控制两个送粉缸给成型缸供粉，激光（或者电子束）熔化烧结粉末，这样完成一层加工；
控制成型缸下降一个层厚，重复铺粉的步骤，层与层堆积，一次直接完成复合材料的3D打印制造。
下面以实例的方式，说明三缸成型机的复合材料零件的3D打印方法。
如图1、图2所示，采用选区激光熔化（SLM）成型用于减震散热的Kagome夹芯板。用三维软件SolidWorks设计零件模型，芯体2标识为铝合金粉末，面板1标识为不锈钢材料，然后三维模型进行切片分层处理。在粉末缸A中（图中未示出）预存所需的不锈钢粉末，在其中一个B粉末缸中（图中未示出）预存所需的铝合金粉末。控制系统根据切片的轮廓信息，控制另一个A粉末缸（图中未示出）的上升和通过铺粉刷将所需要的不锈钢粉末铺到成型缸上，激光通过振镜扫描熔化烧结粉末，这样完成一层加工。控制成型缸下降一个层厚，重复铺粉的步骤，层与层堆积，完成底层面板的成型。同样，控制系统根据切片的轮廓信息，控制B粉末缸的上升和通过铺粉刷将所需要的铝合金粉末铺到成型缸上，激光通过振镜扫描熔化烧结粉末，完成芯体2的成型。最后，同理成型顶层不锈钢面板。这样就一次直接完成复合材料的Kagome夹芯板3D打印制造，如图2所示。
另外，运用电子束也可以完成该零件的加工。电子束相对于激光的能量利用率和能量密度更高，扫描速度快，因而它可以成型熔点更高的金属，而且加工出来的零件精度更高，成型速度更快。另外，电子束熔化可加工的材料更广泛，但它必须在真空环境中进行，加工零件尺寸受到一定的限制。
如上所述便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于三缸成型机的复合材料零件的3D打印方法，其特征在于包括如下步骤：
用三维软件设计零件模型；
在三维模型的基础上，对不同材质的零件进行标识，同一材质的零件，使用同一种标识，不同材质的零件采用不同的标识；
然后三维模型进行切片分层处理；
在3D打印机的粉末缸中预存所需的两种粉末材料，控制3D打印机的系统根据三维模型切片的轮廓信息，并控制两个送粉缸给成型缸供粉，激光熔化烧结粉末，这样完成一层加工；
控制成型缸下降一个层厚，重复铺粉的步骤，层与层堆积，一次直接完成复合材料零件的3D打印制造。
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