CN107856297A - 一种基于增材制造的双相介质五模材料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于增材制造相关技术领域，其公开了一种基于增材制造的双相介质五模材料及其制造方法，该方法包括以下步骤：(1)建立五模材料基体的三维CAD模型，并以STL文件格式导出；(2)根据所述STL文件，采用激光选区熔化法成形五模材料的基体，并对所述基体进行表面处理；(3)采用熔融沉积成型法将高分子材料熔融沉积到所述基体中，以得到双相介质五模材料。本发明的成形速度快，材料利用率高，降低了成本，扩大了应用范围。

Description

一种基于增材制造的双相介质五模材料及其制造方法
技术领域
本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种基于增材制造的双相介质五模材料及其制造方法。
背景技术
超材料是一类新型的人工合成材料，通常由周期性或者非周期性的人工微结构排列而成。五模材料(PM，Pentamode Material)是一种新型的超材料，该材料的弹性模量矩阵中的6个特征值中有5个为0。五模材料于1995年首次提出，该材料可以解除固体压缩形变和剪切形变之间的耦合。五模材料的弹性性质与液体相似，因此也被称为超流体。在具体实现方面可以通过设计具有较大体积模量与剪切模量之比(B/G)的结构来实现。由于五模材料的有效剪切模量较小，在一定条件下可以被忽略，而体积模量可以通过微结构设计来进行调节，其物性参数在很大范围内具有很强的可设计性，为许多特殊声学器件的设计提供了基础。除隐形斗篷、五模材料还可以用于声学黑洞、声学超透镜、高指向性高增益水声换能器、宽频高透声系数导流罩等一系列新型声学设备的制备。开展五模材料的结构设计与制备技术研究，对于开发新型高性能水声器件具有重要的意义。
然而，由于五模材料的发展也是近年来才开始进行，大多数都是理论上的研究，且现有的五模材料结构均为单相介质。由于所涉及五模材料微结构的等效弹性模量和等效密度值与目标值有一定的误差，因而作用的频率范围窄(60kHz以下)，只能用在低频率段，在高频段则不能发挥效果。增材制造技术的兴起，能够成形复杂结构零件为五模材料的实现提供了技术支撑；增材制造能够成形复杂形状的构件，但是成形精度较差，成形材料单一都限制了五模材料的声学和力学性能。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于增材制造的双相介质五模材料及其制造方法，其基于现有五模材料的制造特点，研究及设计了一种能够大幅度地提高声学性能和力学性能的基于增材制造的双相介质五模材料及其制造方法。本发明将尼龙等高分子材料用熔融沉积成形的方法，以一定形状、均匀填充到用激光选区熔化制备金属基体材料的五模材料微结构空腔内，通过调整五模材料微结构的弹性模量和密度以达到材料的物理参数要求，大幅度地提高了材料的声学性能和力学性能。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种基于增材制造的双相介质五模材料的制造方法，该方法包括以下步骤：
(1)对五模材料基体进行尺寸优化，以得到五模材料基体的结构尺寸及等效物理参量；
(2)根据所述结构尺寸及所述等效物理参量进行五模材料三维模型的构建，并对构建的五模材料三维模型进行声学性能模拟仿真，根据模拟仿真结果来调整五模材料的第二相介质的材料或者结构，以使五模材料的双相介质达到匹配；
(3)根据调整后的五模材料三维模型建立五模材料基体的三维CAD模型，并以STL文件格式导出；
(4)根据所述STL文件，采用激光选区熔化法成形五模材料的基体，并对所述基体进行表面处理；
(5)采用熔融沉积成型法将高分子材料熔融沉积到所述基体中，以得到双相介质五模材料。
进一步地，所述五模材料基体是由金属材料制成的。
进一步地，采用Matlab或者Analyse对五模材料基体进行尺寸优化。
进一步地，根据所述结构尺寸及所述等效物理参量，采用Comsol Multiphysics模拟软件进行五模材料三维模型的构建。
进一步地，所述高分子材料为橡胶或者尼龙。
进一步地，对所述基体的表面处理包括采用电化学腐蚀法去除所述基体的表面毛刺。
进一步地，采用UG或者Pro/E建立五模材料基体的三维CAD模型。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于增材制造的双相介质五模材料，所述双相介质五模材料是采用如上所述的基于增材制造的双相介质五模材料的制造方法制造的。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的：
1.采用激光选区熔化工艺成形五模材料基体，该工艺激光为其主要热源，光斑尺寸为微米级，利用激光熔融金属粉末的方法来成形五模材料微结构能够提高加工结构的尺寸精度，且成形速度快，材料利用率高，能降低生产成本；同时，采用金属基体能够进一步提高五模材料结构的使用强度，使其在服役时有一定的承载能力，进一步扩大其应用范围，而不局限于功能材料的使用；
2.利用FDM工艺将高分子材料熔融沉积于微结构中，采用双相介质的方法来调整五模材料的物理参量(弹性模量E和密度ρ等)，从而精准的调控结构的属性，提高五模材料的声学频宽和声学适用性；
3.所述制造方法基于增材制造工艺，因为其可操作性和可适用性强，在实际应用中，可以根据基体材料的不同和声学性能要求的差异来选择不同的金属基体和高分子材料以及整体结构；
4.所述制造方法工艺简单，易于实施，灵活性较强，有利于推广应用。
附图说明
图1是本发明提供的基于增材制造的双相介质五模材料的制造方法的流程示意图；
图2是本发明第一实施方式提供的基于增材制造的双相介质五模材料的制造方法涉及的过程示意图，其中，基体结构(a)的节点为半径为r的圆柱，杠杆长为a，宽为b，杠杆之间的角度为120°，空腔尺寸为R，基体结构(b)中1为Ti6Al4V合金，2为第二相介质尼龙；
图3是本发明第二实施方式提供的基于增材制造的双相介质五模材料的制造方法涉及的过程示意图，其中，基体结构(a)的节点为半径为r的圆柱，杠杆长为a，宽为b，杠杆之间的角度为120°，基体内为雪花状第二相介质结构，雪花杠杆宽为c，基体结构(b)中的3为AlSi10Mg合金，4为第二相介质尼龙。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明提供的基于增材制造的双相介质五模材料的制造方法，其针对单向介质五模材料的声波频率作用范围小、物理参量局限单一、微结构尺寸小的特点，将五模材料金属基体材料采用SLM工艺精密成形，提高了结构单元的尺寸精度，并以高分子材料作为第二相介质，同时利用FDM技术按照预先设定好的形状层层熔融成形，与金属基体共同组成五模材料的组成部分，最后形成具有较好力学性能和声学性能的五模材料。
所述的基于增材制造的双相介质五模材料的制造方法主要包括以下步骤：
步骤一，对五模材料微结构基体进行尺寸优化，以获得所述五模材料微结构基体的结构尺寸及等效物理量。
具体地，根据适合SLM工艺制造五模材料基体选择金属材料(如Ti6Al4V、AlSi10Mg等)，以获得所述五模材料基体的物理参量(弹性模量E、密度ρ等)。通常所述五模材料基体结构上依据蜂窝状结构模型进行适当演变，主要是在节点处和节点与节点之间的位置增加配重，以平衡五模材料的物理参量，并设置尺寸参量，利用Matlab或者Analyse模拟仿真软件对五模材料微结构基体进行尺寸优化，以获得五模材料微结构基体的结构尺寸及等效物理参量。
步骤二，根据所述结构尺寸及等效物理参量进行五模材料三维模型的构建。
具体地，采用Comsol Multiphysics模拟软件，根据优化后的结构尺寸建立三维模型，设计待成形双相介质五模材料的结构，此设计包括第二相介质结构及材料的选取。通常结构上以平衡物理参量为主，有较大的自由度，材料上应选择适合FDM成形的轻质化高分子材料。
步骤三，对构建的五模材料三维模型进行声学性能模拟仿真，根据模拟仿真结果调整五模材料的第二相介质的材料或者结构，以使五模材料的双相介质达到匹配。
具体地，采用Comsol Multiphysics声学性能模拟模块对构建的双相介质五模材料三维模型进行声学性能模拟仿真，用声学性能的模拟来理论上验证双相介质五模材料制备的可行性，借助单胞带结构曲线和声学压力场来分析声学性能，并利用频散曲线法和背景介质法进行验证。同时，根据得到的模拟仿真结果调整第二相介质的材料或者结构，从而使得五模材料的双相介质达到匹配，整体结构呈现较好的声学性能。
步骤四，根据调整后的五模材料三维模型建立五模材料基体的三维CAD模型。具体地，对于尺寸精细且复杂的基体结构，采用UG、Pro/E等三维造型软件进行三维CAD模型的建立。
步骤五，根据所述三维CAD模型导出对应的STL文件，并利用STL工艺制造五模材料的基体结构。
步骤六，去除采用SLM工艺制造的基体结构的表面毛刺。具体地，采用机加工或者电化学腐蚀的方式去除SLM制件表面的毛刺，以提高五模材料结构的尺寸精度及表面精度。
步骤七，采用FDM工艺将高分子材料熔融沉积到所述基体结构中，以得到双相介质五模材料。具体地，对SLM成形完的基体进行第二相介质填充，利用FDM工艺挤压熔融高分子材料。第二相介质材料可以选用橡胶或者尼龙等，第二相介质的结构依据整体结构的稳定性和物理参量设计。
本发明还涉及一种基于增材制造的双相介质五模材料，所述双相介质五模材料是采用如上所述的基于增材制造的双相介质五模材料的制造方法制造的。
以下以几个具体实施例对本发明进行进一步的详细说明。
实施例1
请参阅图2，本发明第一实施例用激光选区熔化技术、熔融沉积技术制备与成形钛合金/尼龙双相介质五模材料。Ti6Al4V为近α钛合金，由于其超高的比强度和优异的耐腐蚀性被广泛应用于深海装备；将Ti6Al4V作为五模材料基体能进一步提高功能材料的力学性能和耐腐蚀能力，且由于五模材料的声学隐身性能，应用在装备表层面能使深海装备有很好的隐蔽性。本实例基体选用蜂窝状模型演变形式，节点为圆形，半径为r，连接杆长为a，宽度为b，第二相介质选用尼龙材料，熔点为253℃，依靠基体结构填充，使结构中心形成半径为R的空腔。在此条件下，本发明第一实施例制造Ti6Al4V/尼龙双相介质五模材料的主要步骤如下所示：
(1)以Ti6Al4V合金为成形基体材料，其弹性模量E为110GPa，密度ρ为4500kg/m3，根据五模材料微结构基体尺寸参数(a，b，r)，利用Matlab、Analyse等模拟仿真软件进行五模材料微结构基体的尺寸优化，最后获得五模材料基体的结构尺寸(a1，b1，r1)和等效物理参量(E1，ρ1)。
(2)根据所述结构尺寸及所述等效物理参量运用Comsol Multiphysics软件对五模材料进行三维模型构建并进行声学性能仿真，通过频散曲线法和背景介质法来验证声学性能，从而反馈调节第二相介质的关键尺寸R，尼龙材料的弹性模量为3GPa，密度为1140kg/m3，最后使整体物理参量达到设定要求，此时第二相介质尺寸为R1；
(3)运用UG三维造型软件，建立五模材料基体的三维CAD模型并以STL文件格式导出；
(4)五模材料基体的材料选用平均粒度为50μm的Ti6Al4V合金粉末，第二相介质选用尼龙66材料；
(5)采用SLM工艺依据所述三维CAD模型进行激光选区熔化工艺成形基体，扫描速度为1200-1400mm/s，激光功率为350-380W，层厚为30μm，扫描策略为旋转90°，扫描间距为120-160mm，预热100℃；；
(6)对成形后的基体进行外表面精加工处理，内表面采用电化学腐蚀的方法除去毛刺，以提高基体的表面质量；
(7)采用FDM工艺直接在基体中成形第二相介质尼龙材料，熔化温度为253℃，之后静置及冷却以得到双相介质五模材料。
实施例2
请参阅图3，本发明第二实施例运用激光选区熔化技术、熔融沉积技术制备与成形镁合金/尼龙双相介质五模材料。其中，AlSi10Mg具有良好的工艺性，密度小，耐腐蚀良好，运用在深海装备领域有很好的适应性，利用SLM工艺成形的制品具有良好的尺寸精度和表面质量，保证了成形尺寸的精准。本实例基体选用蜂窝状模型演变形式，节点为圆形，半径为r，连接杆长为a，宽度为b，第二相介质选用尼龙材料，熔点为253℃，依靠基体结构成形，结构呈现雪花状，宽度为c。在此条件下，本发明第二实施例制造AlSi10Mg/尼龙双相介质五模材料的主要步骤如下所示：
(1)将AlSi10Mg设置为成形的基体材料，基体材料弹性模量E为74.35GPa，密度ρ为2600kg/m3，根据五模材料微结构基体尺寸参数(a，b，r)，利用Matlab、Analyse等模拟仿真软件对五模材料微结构基体进行五模材料微结构基体的尺寸优化，最后获得五模材料微结构基体的结构尺寸(a1，b1，r1)和等效物理参量(E1，ρ1)。
(2)运用Comsol Multiphysics软件对五模材料进行三维模型构建并进行声学性能仿真，通过频散曲线法和背景介质法来验证声学性能，从而反馈调节第二相介质的关键尺寸c，尼龙材料的弹性模量为3GPa，密度为1140kg/m3，最后使整体物理参量达到设定要求，此时第二相介质尺寸为c1；
(3)运用UG三维造型软件建立五模材料基体的三维CAD模型并以STL文件格式导出；
(4)基体选用平均粒度为40μm的AlSi10Mg合金粉末，第二相介质选用尼龙66材料；
(5)采用SLM工艺依据所述三维CAD模型进行激光选区熔化成形基体，扫描速度为1100-1250mm/s，激光功率为280-320W，层厚为30μm，扫描策略为旋转90°，扫描间距为120mm-160mm，预热温度为100℃；
(6)对成形后的基体进行外表面精加工处理，内表面采用电化学腐蚀的方法除去毛刺，提高基体的表面质量；
(7)采用FDM工艺直接在基体中成形第二相介质尼龙材料，熔化温度为253℃，之后静置及冷却以形成双相介质五模材料。
本发明提供的基于增材制造的双相介质五模材料及其制造方法，其将尼龙等高分子材料用熔融沉积成形的方法，以一定形状、均匀填充到用激光选区融化制备金属基体材料的五模材料微结构空腔内，通过调整五模材料微结构的弹性模量和密度以达到材料的物理参数要求，大幅度地提高了材料的声学性能和力学性能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于增材制造的双相介质五模材料的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)对五模材料基体进行尺寸优化，以得到五模材料基体的结构尺寸及等效物理参量；
(2)根据所述结构尺寸及所述等效物理参量进行五模材料三维模型的构建，并对构建的五模材料三维模型进行声学性能模拟仿真，根据模拟仿真结果来调整五模材料的第二相介质的材料或者结构，以使五模材料的双相介质达到匹配；
(3)根据调整后的五模材料三维模型建立五模材料基体的三维CAD模型，并以STL文件格式导出；
(4)根据所述STL文件，采用激光选区融化法成形五模材料的基体，并对所述基体进行表面处理；
(5)采用熔融沉积成型法将高分子材料熔融沉积到所述基体中，以得到双相介质五模材料。
2.如权利要求1所述的基于增材制造的双相介质五模材料的制造方法，其特征在于：所述五模材料基体是由金属材料制成的。
3.如权利要求1所述的基于增材制造的双相介质五模材料的制造方法，其特征在于：采用Matlab或者Analyse对五模材料基体进行尺寸优化。
4.如权利要求1所述的基于增材制造的双相介质五模材料的制造方法，其特征在于：根据所述结构尺寸及所述等效物理参量，采用ComsolMultiphysics模拟软件进行五模材料三维模型的构建。
5.如权利要求1-4任一项所述的基于增材制造的双相介质五模材料的制造方法，其特征在于：所述高分子材料为橡胶或者尼龙。
6.如权利要求1-4任一项所述的基于增材制造的双相介质五模材料的制造方法，其特征在于：对所述基体的表面处理包括采用电化学腐蚀法去除所述基体的表面毛刺。
7.如权利要求1-4任一项所述的基于增材制造的双相介质五模材料的制造方法，其特征在于：采用UG或者Pro/E建立五模材料基体的三维CAD模型。
8.一种基于增材制造的双相介质五模材料，其特征在于：所述双相介质五模材料是采用权利要求1-7任一项所述的基于增材制造的双相介质五模材料的制造方法制造的。
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