CN107983958A - 一种复合材料3d打印成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合材料3D打印成形方法，在进行3D打印成形前，先对组成复合材料的各个基体材料的热导率以及熔点进行测试，并将得到的数据输入到计算机中，然后通过识别检测装置来分区域识别复合材料中的不同性质的材料，再根据识别到的不同区域的粉末材料的数据来指导激光器实时调整工艺参数来进行打印，在整个打印过程中，其工艺参数随粉末区间信息变化而调整优化，实现了复杂结构的复合材料零部件的高质量成形，并提高了打印效率。

Description

一种复合材料3D打印成形方法

技术领域

本发明涉及复合材料制造技术领域，尤其是涉及一种复合材料3D打印成形方法。

背景技术

复合材料是由两种及两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观尺度上组成的具有新性能的材料，复合材料因其优越的性能在航空航天、军事、汽车等领域被越来越广泛的使用，复合材料按其结构特点可分为纤维增强复合材料、夹层复合材料、细粒复合材料和混杂复合材料，按基体材料不同可分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料等。

根据基体材料的不同，导致复合材料的成形方法各异。如树脂基复合材料的成形方法有手糊成形、喷射成形、纤维缠绕成形、模压成形、拉挤成形、RTM成形、热压罐成形、隔膜成形、迁移成形、反应注射成形、软膜膨胀成形、冲压成形等；金属基复合材料成形方法分为固相成形法和液相成形法，固相成形法是在低于基体熔点温度下，通过施加压力实现成形，包括扩散焊接、粉末冶金、热轧、热拔、热等静压和爆炸焊接等；液相成形法是将基体熔化后，充填到增强体材料中，包括传统铸造、真空吸铸、真空反压铸造、挤压铸造及喷铸等；而陶瓷基复合材料的成形方法主要有固相烧结、化学气相浸渗成形、化学气相沉积成形等。上述成形方法在各类型复合材料中应用广泛，然而，随着应用需求的拓展，对于各种复杂、精细、特殊结构的复合材料零部件的制造而言，上述方法均较难实现，必须寻求一种新型的成形方法以成形出复杂结构的复合材料。近年发展起来的3D打印(增材制造)技术是一种基于材料逐层堆积的新型制造技术，该技术将复杂的三维加工转变为简单的二维加工，大大降低了复杂零件的成形难度，从而有望解决传统制备方法难以甚至无法完成的复杂结构件的成形难题，例如作为粉床增材制造技术之一的选区激光熔化(Selective LaserMelting，SLM)3D打印技术因采用了光纤激光器，其能量密度高，光斑细小，成形精度高、冷却速度快，因此特别适合于金属材料的成形。但是，对于基于粉末床的SLM成形技术而言，一般只能成形单一的金属基材料，如铁基、镍基、钛基、铝基等，较难实现金属基与高分子或者陶瓷相复合材料的成形，例如采用SLM技术成形铁基和金刚石的复合材料，由于铁基(熔点1600℃)与金刚石(熔点3550℃)熔点差异巨大，在激光扫描熔化单层粉末的过程中，不可避免的因较高激光功率导致铁基材料的过熔蒸发或者因较低的激光功率导致金刚石未能熔化，从而无法成形高质量的铁基/金刚石复合材料。如何通过识别复合材料中不同性质的材料，从而采用变工艺参数的单层成形方法实现复合材料零部件的整体高质量成形，，目前的3D打印技术仍较难实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种操作简单方便，并且具有在线识别功能的复合材料3D打印成形方法。

本发明所采用的技术方案是，一种复合材料3D打印成形方法，所述方法包括以下步骤：

(1)、在进行3D打印成形前，先对复合材料中各个基体材料的热导率以及熔点进行测试，并将得到的数据输入到计算机中；

(2)、通过CAD软件设计复合材料零件的三维模形，然后将所述零件三维模形转成STL文件格式并导入到3D打印设备的计算机中；

(3)、将基体材料按照复合材料的配比要求平整铺展在粉末床上，通过识别检测装置朝铺展在粉末床上的复合材料发射信号，通过信号来分区域识别复合材料中的不同性质的材料，并将识别结果反馈到3D打印设备的计算机的数据库中；

(4)、启动3D打印成形设备，根据步骤(3)中识别到的不同区域的粉末材料的数据，指导激光器根据区间粉末信息的变化实时调整工艺参数来进行打印，从而实现单层的高质量成形；

(5)、返回步骤(4)继续对下一层打印成形，直到所有层都打印成形，最终得到制件；

(6)、待制件冷却后，清除制件表面浮粉，即得到复杂结构的复合材料零件；

(7)、采用线切割工艺将复合材料零件从基板上分离，然后进行温度为T、时间为t的退火处理，则得到成品。

本发明的有益效果是：在激光扫描过程中采用识别检测装置来分区域识别粉末床中不同性质的粉末材料，从而指导3D打印成形，打印过程中，其工艺参数随粉末区间信息变化而调整优化，实现了复杂结构的复合材料零部件的高质量成形，提高了打印效率。

作为优先，所述识别检测装置为红外线检测器，采用该结构，可以对粉末床中不同性质的粉末材料进行识别，功耗低。

附图说明

图1为本发明一种复合材料3D打印成形方法的流程图；

具体实施方式

以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。

实施例1

一种复合材料3D打印成形方法，包括以下步骤：

(1)、分别对Fe/C复合材料中的Fe和C进行热导率、熔点的测试，并将测试结果输入到3D打印设备的计算机数据库中，所述Fe粉末和C粉末均为球形或近球形，二者平均粒径均分布在20～45μm并且氧含量均低于1000ppm；

(2)、通过CAD软件设计复合材料零件的三维模形，然后将所述零件三维模形转成STL文件格式并导入到3D打印设备的计算机中；

(3)、将Fe粉末和C粉末按照复合材料的配比要求平整铺展在粉末床上，开启红外检测器，在线识别复合材料中不同区域的材料成分，将识别结果反馈到3D打印设备的计算机中；

(4)、启动3D打印成形设备，该设备激光源采用Yb光纤激光，波长为1070±10nm，最大功率为400W，扫描速率最大为1000mm/s，光斑直径为0.1～0.15mm。在氩气保护下，根据步骤(3)中识别到的不同区域的粉末材料信息，指导激光器根据区间粉末信息的变化来调整工艺参数进行打印，从而实现单层的高质量成形；

(5)、返回步骤(3)继续对下一层打印成形，直到所有层都打印成形得到制件；

(6)、待制件冷却后，清除制件表面浮粉，即得到复杂结构的复合材料零件；

(7)、采用线切割工艺将零件从基板上分离，然后进行温度为375℃、时间为6.5小时的退火处理，则得到成品。

实施例2

一种复合材料3D打印成形方法，包括以下步骤：

(1)、分别对W/Cu复合材料中的W和Cu进行热导率、熔点的测试，并将测试结果输入到3D打印设备的计算机数据库中，所述W粉末和Cu粉末均为球形或近球形，二者平均粒径均分布在20～45μm并且氧含量均低于1000ppm；

(2)、通过CAD软件设计复合材料零件的三维模形，然后将所述零件三维模形转成STL文件格式并导入到3D打印设备的计算机中；

(3)、将W粉末和Cu粉末按照复合材料的配比要求平整铺展在粉末床上，开启红外检测器，在线识别复合材料中不同区域的材料成分，将识别结果反馈到3D打印设备的计算机中；

(4)、启动3D打印成形设备，该设备激光源采用Yb光纤激光，波长为1070±10nm，最大功率为400W，扫描速率最大为1000mm/s，光斑直径为0.1～0.15mm。在氩气保护下，根据步骤(3)中识别到的不同区域的粉末材料信息，指导激光器根据区间粉末信息的变化来调整工艺参数进行打印，从而实现单层的高质量成形；

(5)、返回步骤(3)继续对下一层打印成形，直到所有层都打印成形得到制件；

(6)、待制件冷却后，清除制件表面浮粉，即得到复杂结构的复合材料零件；

(7)、采用线切割工艺将零件从基板上分离，然后进行温度为450℃、时间为5小时的退火处理，则得到成品。

实施例3

一种复合材料3D打印成形方法，包括以下步骤：

(1)、分别对Al/SiC复合材料中的Al和SiC进行热导率、熔点的测试，并将测试结果输入到3D打印设备的计算机数据库中，所述Al粉末和SiC粉末均为球形或近球形，二者平均粒径均分布在20～45μm并且氧含量均低于1000ppm；

(2)、通过CAD软件设计复合材料零件的三维模形，然后将所述零件三维模形转成STL文件格式并导入到3D打印设备的计算机中；

(3)、将Al粉末和SiC粉末按照复合材料的配比要求平整铺展在粉末床上，开启红外检测器，在线识别复合材料中不同区域的材料成分，将识别结果反馈到3D打印设备的计算机中；

(4)、启动3D打印成形设备，该设备激光源采用Yb光纤激光，波长为1070±10nm，最大功率为400W，扫描速率最大为1000mm/s，光斑直径为0.1～0.15mm。在氩气保护下，根据步骤(3)中识别到的不同区域的粉末材料信息，指导激光器根据区间粉末信息的变化来调整工艺参数进行打印，从而实现单层的高质量成形；

(5)、返回步骤(3)继续对下一层打印成形，直到所有层都打印成形得到制件；

(6)、待制件冷却后，清除制件表面浮粉，即得到复杂结构的复合材料零件；

(7)、采用线切割工艺将零件从基板上分离，然后进行温度为300℃、时间为5小时的退火处理，则得到成品。

Claims (2)

1.一种复合材料3D打印成形方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

(1)、在进行3D打印成形前，先对复合材料中各个基体材料的热导率以及熔点进行测试，并将得到的数据输入到计算机中；

(2)、通过CAD软件设计复合材料零件的三维模形，然后将所述零件三维模形转成STL文件格式并导入到3D打印设备的计算机中；

(3)、将基体材料按照复合材料的配比要求平整铺展在粉末床上，通过识别检测装置朝铺展在粉末床上的复合材料发射信号，通过信号来分区域识别复合材料中的不同性质的材料，并将识别结果反馈到3D打印设备的计算机的数据库中；

(4)、启动3D打印成形设备，根据步骤(3)中识别到的不同区域的粉末材料的数据，指导激光器根据区间粉末信息的变化实时调整工艺参数来进行打印，从而实现单层的高质量成形；

(5)、返回步骤(4)继续对下一层打印成形，直到所有层都打印成形，最终得到制件；

(6)、待制件冷却后，清除制件表面浮粉，即得到复杂结构的复合材料零件；

(7)、采用线切割工艺将复合材料零件从基板上分离，然后进行温度为T、时间为t的退火处理，则得到成品。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料3D打印成形方法，其特征在于：所述识别检测装置为红外线检测器。