CN104190930B - 一种同质功能梯度材料及结构的激光增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种同质功能梯度材料及结构的激光增材制造方法，该方法包括以下步骤：将不同的功能映射为不同的温度，将不同的温度作为边界条件分别施加在三维模型的不同部位，利用三维有限元方法计算模型的热传导方程，获得内部的温度梯度分布，即模型的温度场；抽取模型的等温面获得具有不同温度标记的曲面集合；对曲面集合进行切片，得到每层与等温面的交线轮廓，即平面等温线；对单层切片进行处理，获得单层激光参数呈梯度变化的扫描路径；重复步骤直到切片完成获得模型的激光扫描路径；将生成的激光扫描路径输入到激光3D打印机控制增材制造过程，获得同质功能梯度结构。本方法可以增材制造同质的功能梯度材料和结构，这是目前激光增材制造方法无法做到的。
Description
技术领域
本发明属于激光增材制造技术领域，涉及一种同质功能梯度材料及结构的激光增材制造方法。
背景技术
从材料的结构角度来看，功能梯度材料是指选用两种(或多种)性能不同的材料，通过连续地改变这两种(或多种)材料的组成和结构，使其界面消失导致材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化。目前，比较典型的功能梯度材料如Ti/Al2O3由Ti和Al2O3两种材料构成，其结构的组分从纯金属Ti端连续过渡到纯陶瓷Al2O3端，使材料既具有金属Ti的优良性能，又具有Al2O3陶瓷的良好的耐热、隔热、高强及高温抗氧化性。
目前，利用激光立体成形技术(LENS)可以增材制造功能梯度材料和结构，然而，目前所有报道的文献或专利都是利用两种及以上的材料来增材制造功能梯度材料或结构。
同质的金属或陶瓷材料在应用中要求表现出功能呈现梯度变化，即同种材料的金相组织、晶粒大小及取向等根据功能(如硬度、强度、刚度、密度等)的要求逐步发生缓慢变化，形成功能梯度结构。实际上，几乎所有工业或自然结构都具有这种特质，如内柔外刚的齿轮，极硬的齿面用于抗击齿面接触冲击应力，较软的齿轮芯部用于缓减齿轮的振动；如骨骼，分布于骨表面高密度骨密质具有很强抗压抗扭曲性，分布于内部的低密度骨松质存储骨髓。然而，这类工业结构通常通过机械加工(减材制造，如车铣刨磨等)后进行特殊热处理、渗氮、渗碳等才能获得。这类自然结构是长期进化的产物。
目前，激光增材制造技术只能制造出多材料组分的梯度功能材料和结构，或者只能制造出同质的、不具有性能渐变的结构。由于激光增材制造技术具有净成形或近净成形的特点，可以制造几何与拓扑复杂的结构，因此寻找一种同质功能梯度材料及结构的激光增材制造方法具有重要的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种同质功能梯度材料及结构的激光增材制造方法，该方法能够克服现有激光增材制造技术无法制造同质功能梯度材料及结构的问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种同质功能梯度材料及结构的激光增材制造方法，包括以下步骤：步骤一：将不同的功能映射为不同的温度，将不同的温度作为边界条件分别施加在三维模型S0的不同部位，利用三维有限元方法计算模型S0的热传导方程，获得内部的温度梯度分布，即模型S0的温度场S1；步骤二：抽取模型的等温面获得具有不同温度标记的曲面集合S2；步骤三：对曲面集合S2进行切片，得到每层与等温面的交线轮廓，即平面等温线S3；步骤四：对单层切片进行处理，获得单层激光参数呈梯度变化的扫描路径S6；步骤五：重复步骤三和步骤四，直到切片完成获得模型的激光扫描路径S7；步骤六：将生成的激光扫描路径输入到激光3D打印机控制增材制造过程，获得同质功能梯度结构S8。
进一步，在步骤四中，所述的对单层切片进行处理具体包括以下步骤：1)在平面等温线S3中抽取相邻的等温线构造内外环，并在内外环所围成的区域成几何扫描路径S4；2)对由温度相同等温线所围成的区域生成的扫描路径S4赋予相同的激光工艺参数，获得激光扫描路径S5；由温度不同等温线所围成的区域生成的扫描路径S4赋予不同的激光工艺参数，即根据温度梯度变化调整激光工艺参数使得其呈梯度变化，使得其映射的功能也呈梯度变化；3)重复步骤1)和2)，直到单层平面等温线处理完毕，获得单层激光参数呈梯度变化的扫描路径S6。
进一步，所述的材料包括金属和陶瓷，其中，金属包括钢、铝合金、钛合金以及高温合金等，陶瓷包括氧化铝、氧化锆、碳化硅等。
进一步，所述的功能包括硬度、刚度、强度、韧性等。
进一步，所述的激光增材制造方法包括激光选区烧结(SLS)、激光选区熔融(SLM)以及激光立体成形(LENS)；所述的激光参数包括：激光功率、曝光时间、点距、行距、扫描速度和光斑直径。
进一步，所述的激光功率为0.1mW～10kW，曝光时间为0.001ms～30s，点距为0.1μm～200μm，行距为0.1μm～400μm。
本发明的有益效果在于：本发明所采用的方法能够克服现有激光增材制造技术无法制造同质功能梯度材料及结构的问题，可以增材制造同质的功能梯度材料和结构，这是目前激光增材制造方法无法做到的。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明所述方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1为本发明所述方法的流程示意图，如图所示，本发明所述的激光增材制造方法，包括以下步骤：步骤一：将不同的功能映射为不同的温度，将不同的温度作为边界条件分别施加在三维模型S0的不同部位，利用三维有限元方法计算模型S0的热传导方程，获得内部的温度梯度分布，即模型S0的温度场S1；步骤二：抽取模型的等温面获得具有不同温度标记的曲面集合S2；步骤三：对曲面集合S2进行切片，得到每层与等温面的交线轮廓，即平面等温线S3；步骤四：对单层切片进行处理，获得单层激光参数呈梯度变化的扫描路径S6；步骤五：重复步骤三和步骤四，直到切片完成获得模型的激光扫描路径S7；步骤六：将生成的激光扫描路径输入到激光3D打印机控制增材制造过程，获得同质功能梯度结构S8。
其中，在步骤四中，所述的对单层切片进行处理具体包括以下步骤：1)在平面等温线S3中抽取相邻的等温线构造内外环，并在内外环所围成的区域成几何扫描路径S4；2)对由温度相同等温线所围成的区域生成的扫描路径S4赋予相同的激光工艺参数，获得激光扫描路径S5；由温度不同等温线所围成的区域生成的扫描路径S4赋予不同的激光工艺参数，即根据温度梯度变化调整激光工艺参数使得其呈梯度变化，使得其映射的功能也呈梯度变化；3)重复步骤1)和2)，直到单层平面等温线处理完毕，获得单层激光参数呈梯度变化的扫描路径S6。
在本实施例中，所述的材料包括金属和陶瓷，其中，金属包括钢、铝合金、钛合金以及高温合金等，陶瓷包括氧化铝、氧化锆、碳化硅等。所述的功能包括硬度、刚度、强度、韧性等。所述的激光增材制造方法包括激光选区烧结(SLS)、激光选区熔融(SLM)以及激光立体成形(LENS)；所述的激光参数包括：激光功率、曝光时间、点距、行距、扫描速度和光斑直径，其中，激光功率为0.1mW～10kW，曝光时间为0.001ms～30s，点距为0.1μm～200μm，行距为0.1μm～400μm。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (5)
1.一种同质功能梯度材料及结构的激光增材制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将不同的功能映射为不同的温度，将不同的温度作为边界条件分别施加在三维模型S0的不同部位，利用三维有限元方法计算模型S0的热传导方程，获得内部的温度梯度分布，即模型S0的温度场S1；
步骤二：抽取模型的等温面获得具有不同温度标记的曲面集合S2；
步骤三：对曲面集合S2进行切片，得到每层与等温面的交线轮廓，即平面等温线S3；
步骤四：对单层切片进行处理，获得单层激光参数呈梯度变化的扫描路径S6；
步骤五：重复步骤三和步骤四，直到切片完成获得模型的激光扫描路径S7；
步骤六：将生成的激光扫描路径输入到激光3D打印机控制增材制造过程，获得同质功能梯度结构S8；
在步骤四中，所述的对单层切片进行处理具体包括以下步骤：
1)在平面等温线S3中抽取相邻的等温线构造内外环，并在内外环所围成的区域成几何扫描路径S4；
2)对由温度相同等温线所围成的区域生成的扫描路径S4赋予相同的激光工艺参数，获得激光扫描路径S5；由温度不同等温线所围成的区域生成的扫描路径S4赋予不同的激光工艺参数，即根据温度梯度变化调整激光工艺参数使得其呈梯度变化，使得其映射的功能也呈梯度变化；
3)重复步骤1)和2)，直到单层平面等温线处理完毕，获得单层激光参数呈梯度变化的扫描路径S6。
2.根据权利要求1所述的一种同质功能梯度材料及结构的激光增材制造方法，其特征在于：所述的材料包括金属和陶瓷。
3.根据权利要求1所述的一种同质功能梯度材料及结构的激光增材制造方法，其特征在于：所述的功能包括硬度、刚度、强度、韧性。
4.根据权利要求1所述的一种同质功能梯度材料及结构的激光增材制造方法，其特征在于：所述的激光增材制造方法包括激光选区烧结、激光选区熔融以及激光立体成形；所述的激光参数包括：激光功率、曝光时间、点距、行距、扫描速度和光斑直径。
5.根据权利要求4所述的一种同质功能梯度材料及结构的激光增材制造方法，其特征在于：所述的激光功率为0.1mW～10kW，曝光时间为0.001ms～30s，点距为0.1μm～200μm，行距为0.1μm～400μm。
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