CN104399981A - 一种金属基复合材料的三维打印成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属基复合材料的三维打印成形方法，属于复合材料成型技术领域，包括如下步骤：对金属基复合材料零件CAD模型沿Z向进行分层，生成零件的截面轮廓信息；根据截面轮廓信息逐层分别打印液态金属和增强材料；完成所有层打印后，经过机加工后完成金属基复合材料制备。该方法成形工艺简单，可操作性强，增强材料可按设计角度任意取向，可设计性强。

Description

一种金属基复合材料的三维打印成形方法

技术领域

本发明涉及一种金属基复合材料的三维打印成形方法，属于复合材料成型技术领域。该发明主要用于制备长纤维增强金属基复合材料，制造工艺简单，可显著提高成型质量和缩短成型周期。

背景技术

金属基复合材料是以金属或合金为基体与各种增强材料复合而制得的复合材料。相对与传统金属材料，金属基复合材料具有较高的比强度和比模量。与树脂基复合材料相比，金属基复合材料不燃、耐高温、抗辐射、不吸潮、导电导热性好，是优良的航空航天用高温材料，可用作飞机涡轮发动机和火箭发动机热区和超音速飞机的表面材料。

目前金属基复合材料的制备工艺主要有粉末冶金工艺、扩散结合工艺、挤压铸造工艺、真空吸铸工艺、真空压力浸渍工艺等。粉末冶金工艺是将金属粉或合金粉与增强体均与增强材料均与混合后复合成坯料，再经热挤压成锭块，广泛应用于短纤维、颗粒或晶须增强的各种金属基复合材料。扩散结合工艺是把纤维与金属基体制成复合材料与制片，然后将复合材料或制片按照设计要求切割成型，叠层排布后放入模具内，加压加热成型，冷却后脱模。该工艺限于制备形状简单的板材、某些型材和叶片。挤压铸造工艺是指在压力作用下将液态或半液态注入到放有增强材料的模具中。该工艺设备简单，成本低，材料的质量高且稳定，易于工业化生产，主要应用于制备形状简单而性能要求高的复合铸件。真空吸铸工艺是在铸型内形成一定的负压，金属液体自下而上吸入型腔预制体空隙中并凝固。真空压力浸渗工艺是在真空和惰性气体的共同作用下，使熔融金属渗入预制体。该工艺综合了真空吸铸和压力铸造的特点，可制造连续纤维、短纤维、晶须、颗粒以及混杂增强体的金属基复合材料，制品组织致密、无气孔、缩孔等缺陷。以上金属基复合材料成型方法工艺复杂、界面反应控制困难、成本高。

发明内容

针对现有金属基复合材料成型方法的不足，本发明提供了一种金属基复合材料的三维打印方法。该方法工艺简单，无需模具。采用该方法制备的金属基复合材料，具有纤维取向多、纤维连续、纤维体积分数高、组织致密、缺陷少、整体性能优良等优点。

本发明所述的一种金属基复合材料的三维打印成形方法，具体包括以下工艺步骤：

（1）对金属基复合材料零件CAD模型沿Z向进行分层，生成零件的截面轮廓信息；

（2）在基台上涂抹一层脱模剂；

（3）根据当前层截面轮廓信息及成形零件的设计要求，沿一定方向打印液态金属，形成金属沟槽；

（4）将增强材料铺放在当前层打印的金属沟槽中，再在增强材料上方打印液态金属，液态金属渗入到增强材料中，并在纤维上方形成新的金属沟槽，

（5）在新形成的金属沟槽中铺放增强材料，然后在金属沟槽中打印液态金属，完成一层金属基复合材料的三维打印成形； 

（6）基台下移一定高度，继续采用步骤3、4和5进行下一层的打印；

（7）完成所有层打印后，将金属基复合材料从基台上取下，经过机加工后完成金属基复合材料的制备。

所述增强材料包括硼纤维纱线、碳纤维纱线、氧化铝纤维纱线、碳化硅纤维纱线。

所述金属包括铝、钛、镍、镁、铜等及其合金。

所述增强材料和金属沟槽可按成形零件的设计要求任意角度取向，每层增强材料的种类可按成形零件设计要求选择一种或几种，每层金属沟槽的材料种类、尺寸、排布等可按成形零件设计要求进行选择和设计。

一层金属基复合材料打印完成后基台下降的高度为下一层沟槽的高度。

所述液态金属在压力作用下从打印喷头末端挤出，沿一定方向打印，形成金属沟槽。

所述增强材料在铺放针的携带下铺放在金属沟槽内。

所述步骤3、步骤4和步骤5在真空环境下进行。

与现有技术相比，本发明所设计的金属基复合材料的三维打印成形方法具有以下显著优点：

（1）增强材料可按设计角度任意取向，可设计性强；

（2）增强材料在复合材料中呈伸直状态，最大限度的发挥了原有的力学性能；

（3）成形工艺简单，可操作性强。

附图说明

图1 是本发明一种金属基复合材料的三维打印成形方法中单层复合材料的侧向结构示意图；

图2是本发明一种金属基复合材料的三维打印成形方法中90°方向金属沟槽打印和纱线铺放示意图；

附图标记

1—纱线，2—金属。   

具体实施方式

下面结合具体实施例及其附图，对本发明做进一步的阐述说明。以下实施例仅用于说明而不是用于限制本发明的范围。此外，本领域技术人员在阅读了本发明阐述的内容后可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样用于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1：该金属基复合材料包括0°度方向纱线、45°度方向纱线、90°方向纱线和135°方向纱线，方形截面。纱线均选用12K 镀镍碳纤维纱线，金属材料选用铝。金属基复合材料厚度为4mm。

具体实施步骤：

（1）对金属基复合材料CAD模型沿Z向进行分层，生成截面轮廓信息；

（2）在基台上涂抹一层脱模剂；

（3）根据截面轮廓信息，在基台上沿0°度方向打印液态金属，形成金属沟槽，再将增强材料沿0°度方向铺放在金属沟槽内，再在增强材料上方沿0°度方向打印液态金属，液态金属渗入到增强材料中，并形成新的金属沟槽；再将增强材料沿0°度方向铺放在新的金属沟槽内，再在增强材料上方0°度方向打印液态金属，完成一层金属基复合材料的三维打印成形； 

（4）基台下降移动一定距离，打印45°度方向、90°度方向和135°度方向的金属和纱线；

（5）完成所有层打印后，将金属基复合材料从基台上取下，进过机械加工后完成金属基复合材料的制备。

Claims (10)

1.一种金属基复合材料的三维打印成形方法，其具体工艺包括如下步骤：

S1：对金属基复合材料零件CAD模型沿Z向进行分层，生成零件的截面轮廓信息；

S2：在基台上涂抹一层脱模剂；

S3：根据当前层截面轮廓信息及成形零件的设计要求，沿一定方向打印液态金属，形成金属沟槽；

S4：将增强材料铺放在当前层打印的金属沟槽中，再在增强材料上方打印液态金属，液态金属渗入到增强材料中，并在纤维上方形成新的金属沟槽，

S5：在新形成的金属沟槽中铺放增强材料，然后在金属沟槽中打印液态金属，完成一层金属基复合材料的三维打印成形； 

S6：基台下移一定高度，继续采用步骤S3、S4和S5进行下一层的打印；

S7：完成所有层打印后，将金属基复合材料从基台上取下，经过机加工后完成金属基复合材料的制备。

2.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料的三维打印成形方法，其特征在于所述增强材料包括硼纤维纱线、碳纤维纱线、氧化铝纤维纱线、碳化硅纤维纱线。

3.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料的三维打印成形方法，其特征在于所述金属包括铝、钛、镍、镁、铜等及其合金。

4.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料的三维打印成形方法，其特征在于增强材料和金属沟槽可按成形零件的设计要求任意角度取向。

5.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料的三维打印成形方法，其特征在于每层增强材料的种类可按成形零件设计要求选择一种或几种。

6.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料的三维打印成形方法，其特征在于每层金属沟槽的材料种类、尺寸、排布等可按成形零件设计要求进行选择和设计。

7.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料的三维打印成形方法，其特征在一层金属基复合材料打印完成后基台下降的高度为下一层沟槽的高度。

8.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料的三维打印成形方法，其特征在于所述液态金属在压力作用下从打印喷头末端挤出，沿一定方向打印，形成金属沟槽。

9.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料的三维打印成形方法，其特征在于所述增强材料在铺放针的携带下铺放在金属沟槽内。

10.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料的三维打印成形方法，其特征在于步骤S3、步骤S4和步骤S5在真空环境下进行。