CN104923787B - 一种梯度材料结构的3d打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种梯度材料结构的3D打印方法，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。该方法的设备组成主要包括计算机控制系统、铺粉机构、激光打印系统及打印工作台。使用该方法进行3D打印时，需要对打印层片中的梯度渐变层和复合层进行进一步层片细分，记录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。并在打印成型过程中利用这些信息实时控制铺粉过程及打印过程。本发明为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提供了一种新的方法。

Description

一种梯度材料结构的3D打印方法

技术领域

3D打印及梯度功能材料制造领域。

背景技术

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。

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究前景。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.功能梯度材料的研究进展及应用前景[J].化工科技,2012,01:71-75.)

在复合材料的3D打印方面，机械科学研究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。

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

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。

为此，给出的技术方案为：

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。

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。

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。

其特征在于，

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，

该铺粉机构具有两套机构——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；

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。

计算机1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。

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—打印—成型活塞下移，直到一个零件打印完成；

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。

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。

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。

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。

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。

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

图1为本梯度材料结构的3D打印方法原理示意图。

图2为梯度材料结构的3D打印方法三维示意图。

图3为铺粉喷头结构示意图。

图4示例打印零部件及分层示意图。

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。

具体实施方式

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>＝1)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。

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1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。

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—打印—成型活塞下移，直到一个零件打印完成。

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。

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。

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。

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。

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>＝1)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。

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，可用于单一材料粉末的铺设和多种材料粉末的混合铺设，材料混合的比例由当前层层片信息决定并由送粉控制器3控制。图3为铺粉喷头结构示意图，包含正视图，俯视图和轴测图。本喷头仅作原理示意用，并不用于限制本发明，也不用于指导喷头的设计制作。

上述的梯度材料结构的3D打印方法，其气流控制阀5应控制气流流量和流速，以保证铺粉喷头8能均匀铺粉，并保证不会冲散已铺好的粉末层。

上述的梯度材料结构的3D打印方法，其铺粉装置9是由N(N>＝1)个铺粉机构并排而成，每个铺粉机构装有一种原材料粉末，在铺设中具体选择哪一种原材料粉末由当前层的层片材料信息决定并由计算机控制。

上述的梯度材料结构的3D打印方法，其激光打印头7用于对打印层粉末进行烧结打印，其打印路劲由当前层层片路径信息决定，并由计算机控制XY坐标机构6的运动来实现。其激光功率应根据所打印的当前层的材料信息决定，由计算机控制激光发生器2进行调整。

上述的梯度材料结构的3D打印方法，其成型活塞11每次下移的高度由下一次打印的层片厚度信息决定。

以下结合附图1-4详细说明本发明的实施方式：

如图1所示为本发明所述梯度材料结构件的3D打印方法的原理示意图，此处以打印如图4所示的由A、B、C、D四种材料组成的梯度材料结构件为例进行说明。图4示例打印零部件及分层示意图，本图仅作示例说明用，并不用于限制本发明。

图4结构件为一圆柱体，该圆柱体分为10层，其中，1、2、3、4、9、10为单一材料层；5为纵向梯度材料层，由材料D逐步向材料C过渡；6、7为横向梯度材料层，6层的材料从内向外逐步由材料B向材料A过渡，7层的材料从左到右逐步由材料B向材料C过渡；8为横向材料复合层，由四种材料复合组成该层。如图4中的层片信息所示。打印过程如下：

1)在计算机中对该零部件进行建模，并利用3D分层软件对模型进行切割分层，在此为了简化说明，假设该零部件高度较低，如图所示的10层的层高均能满足打印要求，则将该零部件初步划分为10层。

2)对初步划分的层片中的梯度渐变层和复合层进行层片细分。对于纵向梯度材料层，材料组分沿纵向渐变，则可将其沿纵向再切割成若干层(细分层数依据具体打印设备的性能及零部件的打印精度要求而定)；对于横向梯度材料层，则使用等值线的形式将其划分为若干等值区域(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)；对于横向复合材料层，按照材料情况划分边界。在此假设将第5层划分为3个薄层，将第6层划分为5个等值圆环，将第7层划分为5个等值区域，将第8层划分复合材料边界，如图4所示。

3)设定材料信息。依据零部件的要求，设定打印层，细分层，等值区域的材料类型及百分比。如本例中，1、2、3、4层分别为材料A、B、C、D；5层纵向细分为3层，其材料组分从下到上为75％D+25％C、50％D+50％C、25％D+75％C；6层5个等值圆环区域从内到外材料组分为100％B、75％B+25％C、50％B+50％C、25％B+75％C、100％C；7层5个等值区域从左到右材料组分为100％B、75％B+25％C、50％B+50％C、25％B+75％C、100％C；8层四个区域材料分别为A、B、C、D。

4)使用计算机软件根据零部件的层片信息生成铺粉路径和打印路径。

5)使用计算机软件根据零部件的层片信息生成铺粉装置9和铺粉喷头8的调度方案。

6)使用计算机软件根据零部件的层片信息生成激光发生器2、送粉控制器3、气流控制阀5的控制方案。

7)打印。

在本例中，具体打印步骤如下：

a)打印第1层：成型活塞11下降打印层1的层高，使用铺粉装置9铺设A材料粉末，使用激光打印头9打印出1层；

b)打印第2、3、4层：重复第一层的过程打印出2、3、4层，成型活塞下降的高度分别为2、3、4层的层高；

c)打印第5层：因第5层为纵向梯度材料层，被细分为三层，则该三层分别作为单独的打印层，因其是混合材料层，所以使用铺粉喷头8进行铺粉。成型活塞下降1/3第5层高，计算机控制送粉控制器3使得从3送到铺粉喷头的材料组分为75％D+25％C，铺粉喷头对材料进行混合后，铺设1/3第5层高，然后激光打印头9打印出该细分层；然后重复下降成型活塞11，并调节送粉控制器的送分比例为50％D+50％C、25％D+75％C，打印出第二和第三个细分层；

d)打印第6层：第6层为横向梯度材料层，材料由内向外渐变，使用铺粉喷头进行铺粉。成型活塞下降第6层高，计算机控制送粉控制器3使得送到铺粉喷头8的材料组分为100％B，铺粉喷头8以预设的圆形路径铺设好最内的打印区域；然后依次调节材料组分为75％B+25％C、50％B+50％C、25％B+75％C、100％C，从内向外按预设路径铺设好各细分的打印区域，并使用最外层的材料组分铺设好非打印区域，然后使用激光打印头9打印出6层；

e)打印第7层：第7层的打印步骤类似于第6层，区别在于材料的变化及铺粉、打印路径的变化，此外，在铺设第7层粉末时，需注意在铺设每一细分的打印区域的同时，需铺设好其周围的非打印区域，使得临界的打印区域与非打印区域具有相同的材料组成；

f)打印第8层：第8层为横向复合材料层，同样适用铺粉喷头8进行铺粉，方法类似于6、7层的打印方法，区别在于每次送达铺粉喷头的粉末为单一粉末，同时路径需按步骤4)中预设的铺粉路径进行，并注意使得临界的打印区域与非打印区域具有相同的材料组成；

g)打印第9、10层：第9、10层的打印方法同第1层的打印方法。

8)完成打印。

Claims (2)

1.一种梯度材料结构的3D打印方法，该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，

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；

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；

其特征在于，

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)，

该铺粉机构具有两套机构：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)；

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；

计算机(1)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；

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—打印—成型活塞下移，直到一个零件打印完成；

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；

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；

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。

2.如权利要求1所述的一种梯度材料结构的3D打印方法，其特征在于，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。