CN108607986B - 一种复合材料摩擦增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种复合材料摩擦增材制造方法，属于增材制造技术领域。技术要点为：设计三维数字模型，并对模型进行平行切片或螺旋切片；将制造所用材料加工成工具头，并将增强相预填入工具头中，安装于摩擦增材制造设备或搅拌摩擦焊接设备上；运行设备，在进行第一道表面焊镀前在起点进行适当时间的预摩擦；沿既定轨迹，保持适当轴向压力或下压速度下进行连续表面焊镀作业；沿既定轨迹，连续重复步骤三或断续重复步骤三及步骤四，完成增材制造。本发明具有工艺设备简单、适用范围广、生产成本低等优点。

Description

一种复合材料摩擦增材制造方法
技术领域
本发明涉及一种增材制造方法，具体涉及一种复合材料摩擦增材制造方法，属于增材制造技术领域。
背景技术
增材制造，又称3D打印，是通过软件、数控系统及成型系统将耗材经过特定加工而实现设计部件一次成形的制造技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。其融合了计算机辅助设计、材料科学技术、材料加工与成形技术等科学理论与技术支持，实现了那些原本受传统制造方式约束而无法实现的复杂结构件的生产制造。同时，相较于传统的“去除-切削-组装”制造思路，增材制造“自下而上逐层叠加”的生产思路还具有原料节省、加工工序少、设计到产品用时短、生产灵活、一次性投入低等优点，其更适用于柔性生产线及未来的定制化生产中。
增材制造技术基于“离散-堆积”原理。现有的金属增材制造技术多为选区烧结制造方法，即由一个或多个热源，将选定区域内的金属耗材进行熔化，从而通过堆焊的方式形成目标构件。其制造本质是多次往复的选区熔化微铸造，其生产的产品具有表面成形欠佳、内部应力复杂、微观组织不均匀、晶粒粗大晶粒度低等缺点。除极少钟铸态组织与锻轧组织性能差距不大的高温合金外，铝合金、钛合金、铜合金、碳钢及合金钢等常用材料通过选区烧结制成的工件其机械性能同相同材料通过传统加工方式生产的工件机械性能比，存在很大差距。同时，由于该方法所使用的耗材大量使用金属粉末，其存在着成本高昂、粉末保存期有限、需要真空室等技术限制。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，本发明的目的是提供一种复合材料摩擦增材制造方法，解决现有增材制造存在的微观组织不均匀、机械性能不佳、耗材不易保存等局限性，本发明具有适用范围广、成本低、工件组织均匀、机械性能优良等优点。
本发明提供了一种复合材料摩擦增材制造方法，具体为：
步骤一：设计三维数字模型，并对模型进行平行切片或螺旋切片；
步骤二：将制造所用材料加工成工具头，并将增强相预填入工具头中，安装于摩擦增材制造设备或搅拌摩擦焊接设备上；
步骤三：运行设备，在进行第一道表面焊镀前在起点进行适当时间的预摩擦；
步骤四：沿既定轨迹，保持适当轴向压力或下压速度下进行连续表面焊镀作业；
步骤五：沿既定轨迹，连续重复步骤三或断续重复步骤三及步骤四，完成增材制造。
优选的：在步骤五后，根据工件性能要求，对其进行表面加工作业，所述表面加工作业包括锻压、轧制、镗削、铣削、车削、磨抛中的一种或几种。
优选的：在制造过程中，所述工具头采用非实心棒材结构。
优选的：工具头的结构为扇叶结构、带螺纹的棒材、带有一个或多个孔洞的棒材。
优选的：所述工具头由铸态或退火变形铝合金制成，结构为带有中心孔的棒材，外径为15mm～75mm，内径为1mm～20mm。
优选的：步骤四中，工具头转速为1500rpm～5000rpm；工具头径向速度为1mm/s～30mm/s；轴向压力为0.5kN～25kN，或下压速度为0.5mm/s～6mm/s。
优选的：步骤四中，工具头倾角为0°～3°。
优选的：在制造过程中，使用模具、活性气体、惰性气体、外加热源或外加电磁场中的一种或多种辅助加工。
优选的：在制造过程中，连续或断续添加增强相，所述增强相包括纤维、粉末、晶须、颗粒及纤维纺织材料中的一种或多种。
优选的：在制造过程中，在所述表面加工作业中一处或多处位置预设附加结构，所述附加结构包括加强筋、肋板、加强环、装饰件中的一种或多种。
有益效果：
本发明可用于各类具有热塑性及可以通过一定方式实现表面硬化的非金属材料和金属材料。该方法具有适应性广、成本低、工件组织性能优良等优点。由于本方法利用增材制造材料制成工具头，直接通过搅拌摩擦连接方法多道成形，工件微观组织无明显分区。因此，同传统搅拌摩擦增材制造方法相比，所得工件具有微观组织均匀、力学性能良好等优点。
本发明与中国专利申请201310219476.X相比较具有优势，参见对比表：
对比表
Figure BDA0001655319470000021
Figure BDA0001655319470000031
附图说明
图1为本发明原位添加增强相增材制造主视图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为图1的俯视图；
图4为本发明随行铺入增强相增材制造主视图；
图5为图4的侧视图。
图6为图4的俯视图；
图7为模拟铝合金片层堆叠搅拌摩擦焊增材制造组织全景图；
图8为模拟铝合金片层堆叠搅拌摩擦焊增材制造组织区域组织图；
图9为模拟本发明铝合金摩擦增材制造前进侧组织图；
图10为模拟本发明铝合金摩擦增材制造中心组织图；
图11为模拟本发明铝合金摩擦增材制造后退侧组织图。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
实施例1：结合图1至图6说明本实施方式，一种复合材料摩擦增材制造方法，具体实现方式如下：
步骤一：设计三维数字模型，并对工件模型进行平行切片或螺旋切片；
步骤二：将制造所用材料加工成工具头，并将增强相预填入工具头中，安装于摩擦增材制造设备或搅拌摩擦焊接设备上；
步骤三：运行搅拌摩擦焊接设备，在进行第一道表面焊镀前在起点进行适当时间的预摩擦；
步骤四：沿既定轨迹，保持适当轴向压力或下压速度下进行连续表面焊镀作业；
步骤五：沿既定轨迹，连续重复步骤四或断续重复步骤三及步骤四。
实施例2：结合图1至图6说明本实施方式，一种复合材料摩擦增材制造方法，具体实现方式如下：
步骤一：设计三维数字模型，并对工件模型进行平行切片或螺旋切片；
步骤二：将制造所用材料加工成工具头，并将增强相预填入工具头中，安装于摩擦增材制造设备或搅拌摩擦焊接设备上；
步骤三：运行搅拌摩擦焊接设备，在进行第一道表面焊镀前在起点进行适当时间的预摩擦；
步骤四：沿既定轨迹，保持适当轴向压力或下压速度下进行连续表面焊镀作业；
步骤五：沿既定轨迹，连续重复步骤四或断续重复步骤三及步骤四；
步骤六：视工件性能要求，对其进行表面加工作业，所述表面加工作业包括锻压、轧制、镗削、铣削、车削、打磨中的一种或几种。
实施例1与2中，由于加工过程中利用摩擦焊镀的方法，增材制造过程中加工温度始终不高于工具头熔点。此外在加工过程中，材料在大变形与热输入的作用下，材料发生回复再结晶，因此成形后材料组织均匀晶粒细小、机械性能良好。
其中，所述制造所用材料为非金属材料或金属材料。
其中，在摩擦增材制造过程中，加工面上工具头处于塑性流动状态，可以加入增强相。因此，可以通过随行铺设、定制中空工具头的方式可以在增材制造过程中加入增强相。
其中，增强相主要形态为粉末、颗粒、纤维、晶须或纺织材料中的一种或几种。通过摩擦增材制造加工，使增强相同基体形成有效结合，不仅可以提高工件的力学性能，同时可以有效控制成本，并获得复合材料工件。
其中，可以使用模具辅助加工。使用模具可以提高搅拌摩擦增材制造简单工件的生产效率，以加快生产速度、降低生产成本。
其中，可以使用活性气体辅助加工。适当的活性气体氛围可以强化前序镀层、加快生产效率、降低生产成本。
其中，可以使用惰性气体辅助加工。适当的惰性气体氛围可以有效地防止部分材料的氧化，从而实现搅拌摩擦增材制造。
其中，在搅拌摩擦增材制造过程中，在目标工件表面一处或多处位置预设附加结构，所述附加结构包括加强筋、肋板、加强环、装饰件、工件的其他部分中的一种或多种。
实施例3：本实施实例公开了一种5系铝基复合材料工件制备方法：
步骤一：设计三维数字模型，并对工件模型进行平行切片或螺旋切片；
步骤二：将制造所用材料加工成中空工具头，并安装于摩擦增材制造设备上；
步骤三：运行设备，在进行第一道表面加工前在起点进行适当时间的预摩擦，使工具头处于热塑性状态；
步骤四：加入增强相沿既定轨迹，保持适当轴向压力进行连续表面焊镀作业；
步骤五：沿既定轨迹，连续重复步骤三；
步骤六：对工件表面进行轧制或镗铣加工。
其中，所述工具头由铸态或退火变形铝合金制成，外径为15mm～75mm，内径(孔径)为1mm～20mm。
其中，所述增强相为粉末、颗粒、纤维、晶须或纺织材料中的一种或几种，本实施实例中优选为石墨烯、碳纳米管、Ti粉、Ni粉、SiCp、TiC、Si3N4、SiO2或TiB2颗粒中的一种或几种。
其中，本实施实例选用的工具头转速为1500rpm～5000rpm。
其中，本实施实例选用的工具头径向速度为1mm/s～30mm/s。
其中，本实施实例选用的轴向压力为0.5kN～25kN，或下压速度为0.5mm/s～6mm/s。
其中，本实施实例选用的工具头倾角为0°～3°。
通过本实施实例公开的加工方法，可应用于回转体、壳体、复杂结构件的制造。
通过本实施实例公开的加工方法，所得工件静载强度比铸态铝合金母材提高35％以上。
同时，与选区烧结增材制造相比，增强相周围及工件内部无大量气孔。
增材制造组织图参见图7至图11。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种复合材料摩擦增材制造方法，其特征在于，具体方法为：
步骤一：设计三维数字模型，并对模型进行平行切片或螺旋切片；
步骤二：将制造所用材料加工成工具头，在制造过程中，所述工具头采用非实心棒材结构，并将增强相预填入工具头中，安装于摩擦增材制造设备或搅拌摩擦焊接设备上，增强相的预填方式为在增材制造过程中通过随行铺设、定制中空工具头的方式加入，所述增强相主要形态为粉末、颗粒、纤维、晶须或纺织材料中的一种或几种；
步骤三：运行设备，在进行第一道表面焊镀前在起点进行适当时间的预摩擦；
步骤四：沿既定轨迹，保持适当轴向压力或下压速度下进行连续表面焊镀作业；
步骤五：沿既定轨迹，连续重复步骤三或断续重复步骤三及步骤四，完成增材制造。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料摩擦增材制造方法，其特征在于，在步骤五后，根据工件性能要求，对其进行表面加工作业，所述表面加工作业包括锻压、轧制、镗削、铣削、车削、磨抛中的一种或几种。
3.根据权利要求2所述的一种复合材料摩擦增材制造方法，其特征在于，工具头的结构为带螺纹的棒材、带有一个或多个孔洞的棒材。
4.根据权利要求3所述的一种复合材料摩擦增材制造方法，其特征在于，在制造过程中，使用模具、活性气体、惰性气体、外加热源或外加电磁场中的一种或多种辅助加工。
5.根据权利要求4所述的一种复合材料摩擦增材制造方法，其特征在于，在制造过程中，连续或断续添加增强相，所述增强相包括纤维、粉末、晶须、颗粒及纤维纺织材料中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的一种复合材料摩擦增材制造方法，其特征在于，在制造过程中，在所述表面加工作业中一处或多处位置预设附加结构，所述附加结构包括加强筋、肋板、加强环、装饰件中的一种或多种。
7.根据权利要求1或2所述的一种复合材料摩擦增材制造方法，其特征在于，所述工具头由铸态或退火变形铝合金制成，结构为带有中心孔的棒材，外径为15mm～75mm，内径为1mm～20mm。
8.根据权利要求7所述的一种复合材料摩擦增材制造方法，其特征在于，步骤四中，工具头转速为1500rpm～5000rpm；工具头径向速度为1mm/s～30mm/s；轴向压力为0.5kN～25kN，或下压速度为0.5mm/s～6mm/s。
9.根据权利要求8所述的一种复合材料摩擦增材制造方法，其特征在于，步骤四中，工具头倾角为0°～3°。
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