CN109531992A - 一种在増材制造中增强五模超材料两相材料结合力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于五模超材料领域，并公开了一种在増材制造中增强五模超材料两相材料结合力的方法。该方法包括：(a)调整五模超材料六边形微单元的尺寸和壁厚，使得所述蜂窝状结构的实际密度和模量参数趋近于设定值，以此获得六边形微单元新的尺寸和壁厚；(b)在每个六边形微单元相邻边的薄壁连接处，金属相与非金属相的交界面设置卡槽；(c)通过使能带曲线中本征频率的压缩波波速和剪切波波速等于预设值，计算卡槽的尺寸；(d)建立五模超材料的三维结构模型，采用增材制造成形获得所需的五模超材料零件。通过本发明，提高五模超材料金属相与非金属相界面处的结构稳定性，提高其力学性能构件，为增材制造多相超材料的实际应用提供策略。

Description

一种在増材制造中增强五模超材料两相材料结合力的方法

技术领域

本发明属于五模超材料领域，更具体地，涉及一种在増材制造中增强五模超材料两相材料结合力的方法。

背景技术

增材制造技术俗称3D打印，通过软件设计与控制系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除-切削、组装的减材或等材模式不同，增材制造是一种"自下而上"通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。

五模超材料是21世纪以来出现的一类新材料，具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。几乎没有形变，类似于理想流体，难以压缩却极易流动，且其特征之一为整体密度等于水或理想流体的密度大小。当声波传播至五模超材料构件时，其传播路径不发生改变，从而达到控制声波的效果，具体可以通过设计具有较大体积模量与剪切模量之比(B/G)的点阵结构来实现。

由于单相介质五模超材料受制于材料属性单一的限制，难以发挥其波动控制的效果，在声波的低频段宽频适应性差等缺点，提出了两相介质五模超材料结构设计的设想，即是将第二相非金属材料添加到金属基五模超材料结构中去，利用非金属材料轻质的特点来平衡五模超材料的整体密度，同时均匀化五模超材料的各部分设计尺寸使其便于增材制造加工；但是一方面两相五模超材料点阵结构的微单胞金属与非金属材料界面处存在稳定性差、易收到波动能量的干扰而出现第二相介质滑落、松垮的现象导致声学效果控制不理想、综合力学性能表现差的缺陷；另一方面若单纯的添加第三相材料来稳定整个五模超材料结构不符合均匀化设计理论的计算结果，两相设计问题变成了多相五模超材料设计，增大了设计的复杂度和增材制造难度。在此基础上，提出将五模超材料中金属与非金属的界面设计成具有一定稳定性的微结构周期性卡槽，将界面的结合力大小代入到五模超材料结构设计中，整体设计出稳定性好、性能高的五模超材料点阵结构。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种在増材制造中增强五模超材料两相材料结合力的方法，该方法通过均匀化理论在五模超材料金属与非金属的交界界面设计卡槽，在界面处设计微结构周期性卡槽来增大不同材料之间的接触面积，从而能大幅度提高五模超材料中两相材料界面的稳定结合能力和五模超材料整体的力学性能。

为实现上述目的，按照本发明的，提供了一种在増材制造中增强五模超材料两相材料结合力的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)对于由多个周期或非周期性排列的六边形微单元组合成的蜂窝状结构的待处理五模超材料，获取该五模超材料中六边形微单元的边长和壁厚，然后设定该五模超材料的密度和模数参数值，调整所述六边形微单元的尺寸和壁厚，使得所述蜂窝状结构的实际密度和模量参数趋近于所述设定值，以此获得所述六边形微单元新的尺寸和壁厚；

(b)在每个所述六边形微单元相邻边的薄壁连接处，金属相与非金属相的交界面设置卡槽，该卡槽的开口方向朝向所述六边形微单元的中心，同时，所有所述薄壁连接处的卡槽关于所述六边形微单元的中心对称；

(c)对所述卡槽的尺寸赋予初始值，根据该初始值计算所述蜂窝状结构的能带曲线，调整所述尺寸的初始值使得所述能量曲线中本征频率的压缩波波速和剪切波波速等于预设值，以此获得的尺寸值为所述卡槽的尺寸；

(d)根据步骤(a)中获得的所述六边形微单元新的尺寸和壁厚和步骤(c)中获得的所述卡槽的尺寸建立所述五模超材料的三维结构模型，采用增材制造的方法成形所述三维结构模型，以此获得所需的五模超材料零件。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述设定的五模超材料的密度和模量参数值分别为1.0×10³kg/m³和[2.25,2.25,0；2.25,2.25,0；0,0,0]。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述卡槽的形状优选为方形或三角形。

进一步优选地，在步骤(c)中，所述压缩波的波速的计算公式优选按照下列表达式：

c_B＝((B+4G/3)/ρ^eff)^1/2

其中，c_B是压缩波的波速，B是体积模量，G是剪切模量，ρ^eff是五模超材料的实际密度，B/G>100。

进一步优选地，在步骤(c)中，所述剪切波的波速计算公式优选按照下列表达式：

c_G＝(G/ρ^eff)^1/2

其中，c_G是剪切波的波速。

进一步优选地，在步骤(c)中，所述压缩波波速和剪切波波速的预设值优选为1500m/s和0m/s。

进一步优选地，在步骤(d)中，所述采用增材制造的方法成形所述三维结构模型优选按照下列步骤：

(d1)选取待五模超材料的金属相的材料，采用激光选区工艺成形所述五模超材料中的金属相；

(d2)采用机加工或电化学腐蚀的方式去除步骤(a)获得的金属相件表面的毛刺；

(d3)选取非金属相的材料，采用熔融沉积成形的方式在所述金属相上成形所述非金属相，由此完成所述増材制造。

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，能够取得下列有益效果：

1、由于增材制造技术(包括SLM和FDM)能成形几乎任何复杂形状的技术特点，所以极大程度上缩短了传统工艺中多工序多材料构件制造的流程与周期，同时也克服了传统方法无法加工特殊与复杂材料或复杂结构的技术瓶颈问题。利用增材制造技术来成形五模超材料两相微结构界面能够提高加工结构的成形效率，材料利用率，且能降低生产成本。

2、本发明通过将五模超材料的金属基与非金属材料结合面设计成微结构周期性卡槽，避免了引入第三相粘性材料对五模超材料整体物性参数的影响，且简化了制备与设计流程；同时，能使得SLM成形金属基后呈现大面积的接触界面，再将非金属第二相轻质材料利用FDM填充到卡槽中去，从而能实现界面结合的稳定性，因此，五模超材料的界面结构设计克服了五模超材料两相界面结合稳定性差的弊端，使得最终成形出稳定性高、机械性能优的多材料复合的五模超材料构件。

3、本发明采用增材制造技术成形几乎任何复杂形状的技术特点，所以极大程度上缩短了传统工艺中多工序多材料构件制造的流程与周期，同时也克服了传统方法无法加工特殊与复杂材料或复杂结构的技术瓶颈问题，利用增材制造技术来成形五模超材料两相微结构界面能够提高加工结构的成形效率，材料利用率，且能降低生产成本。

4、本发明利用增材制造技术成形方法和进行提高五模超材料两相界面结构稳定性设计，克服两相五模超材料点阵结构的微单胞金属与非金属材料界面处存在稳定性差、易收到波动能量的干扰而出现第二相介质滑落、松垮的现象导致声学效果控制不理想、综合力学性能表现差的缺陷，大幅度提高五模超材料的两相界面稳定结合能力和综合力学性能。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的微单元上构建卡槽的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的构建卡槽后的蜂窝状结构的结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的三角形卡槽的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-金属相 2-非金属相 3-卡槽

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。

五模超材料是由多个周期性或非周期性排列的微单元组合而成蜂窝状结构，每个微单元呈六边形，中间呈中空的，六边形的框架即薄壁均为金属相，其他部分为非金属相。对五模超材料中金属与非金属复合在实际应用中的需求，通过均匀化理论在金属与非金属界面处设计微结构周期性卡槽，将尼龙等非金属材料用熔融沉积成形的方法，以预设形状均匀填充到用激光选区熔化制备的金属基单相五模超材料复杂结构空腔内，以增大不同材料之间的接触面积的方法来提高界面稳定性，提高多材料的界面强度和结合力，从而大幅度提高五模超材料的力学性能。

本发明实例提供的一种增材制造五模超材料界面结构的设计与制造方法，具体包括下述步骤：

(1)基于均匀化理论的设计思想，将五模超材料界面结构因子考虑进去，从分析方法上整体设计出带有界面结构的五模超材料点阵结构；

以水的物理参数作为分析的目标函数，即其值为E^T＝[2.25,2.25,0；2.25,2.25,0；0,0,0]，ρ＝1.0×103kg/m³。基于五模超材料的经验结构蜂窝状结构，通过在薄壁相交的位置设计圆形节点和非金属环来均匀化蜂窝状结构的密度，使其蜂窝状结构的整体等效密度ρ^eff近似等于1.0×10³kg/m³；同时，调节正六边形的与圆形节点的结构尺寸(正六边形边长L、非金属环内径R₂和圆形节点半径R₁)来实现蜂窝状结构的整体等效模量E^eff近似等于E^T＝[2.25,2.25,0；2.25,2.25,0；0,0,0]，进行拓扑优化的目标函数公式设定为f_min＝(E^eff/E^T-1)²+(ρ^eff/ρ-1)²。

接着在每个相邻薄壁的连接点处设置卡槽，卡槽的开口方向朝向微单元的中心点，且每个连接点处的卡槽关于微单元的中心点对称；仿真计算卡槽的尺寸，假设卡槽结构的尺寸参数为X₁，X₂…X_n，由于卡槽的添加，改变了原有均匀化设计的等效密度和等效模量，因此进一步通过模拟仿真的方法优化蜂窝状结构，计算卡槽式蜂窝状结构的能带曲线，调整卡槽结构的尺寸参数为X₁，X₂…X_n，使其本征频率中压缩波(水中)的波速约为1500m/s和剪切波的波速趋向于0m/s，最终获得所需的卡槽结构尺寸参数，压缩波的波速c_B的计算公式为：

c_B＝((B+4G/3)/ρ^eff)^1/2，

剪切波的波速c_G的计算公式为：

c_G＝(G/ρ^eff)^1/2

其中，B与G为等效模量E^eff中的体积模量和剪切模量。迭代计算的约束条件为B/G>100。

由于五模超材料，类属于点阵结构，其物理性质不能完全等同于水，也就是说等效模量E^eff中的G值只能趋向于零，而不可能等于0，同理，本征频率对应的剪切波波速c_B和也不能为1500m/s和0m/s而是近似于1500m/s和0m/s。一般来说当为B/G>100(金属)或B/G>1000(非金属材料)时，该结构就被认为是五模超材料，而微单元为金属结构框架故应使B/G>100。

卡槽结构不限于三角形或方形，适用于整体结构的物性参数(如弹性模量、刚度等)的实际应用均可。

在薄壁相交的位置添加粗大的节点或配重单元来均匀化密度和模量参数；并且周期性或非周期性超材料结构，均在节点处设计五模超材料的界面结构，以平衡整体结构的物理参量，并设置尺寸参量。值得一提的是由于五模超材料结构的壁厚为微米级，不易再设计复杂结构否则难以成形和制造，故微结构周期性卡槽仅在节点位置。

(2)建立金属相与非金属相的三维CAD模型，界面结构设计放在金属相部分的结构上；

根据适合SLM工艺制造和具备耐腐蚀性能的金属基体选择材料(如Ti6Al4V、AlSi10Mg等)，并依据构件模型，设计待成形的金属相结构、非金属相结构和相应的界面结构。

(3)按照建立好的三维CAD模型，导出STL文件，用SLM工艺制造基体结构；

(4)按照所设计的金属基体的三维CAD模型，用激光选区熔化工艺制造金属基体；

利用激光选区熔化(SLM)工艺制造金属基体选择适合SLM工艺的金属材料(如Ti6Al4V、AlSi10Mg等)，并进行工艺窗口的设计与优化，得到最优的激光加工参数来制造五模超材料点阵结构，激光功率和扫描速度等参数根据采用的基体材料不同而有所不同，可通过工艺窗口中能量密度与打印后的致密度情况进行优化调控。

(5)采用机加工或电化学腐蚀的方式去除SLM制件表面毛刺，以提高结构的尺寸精度和表面精度；

采用机加工技术对打印件外表面进行处理，降低其表面粗糙度，提高精度。内表面采用电化学腐蚀方法实现粗糙度和精度的调控；对非金属材料如橡胶进行加热时，需要使其至熔融状态，能在流道挤出

(6)按照所设计的非金属结构部分的三维CAD模型，用熔融沉积成形制造非金属结构部分；

根据适合熔融沉积成形(FDM)工艺制造非金属相选择合适的FDM工艺的非金属材料(如尼龙、橡胶等)，并进行工艺窗口的设计与优化。

(7)对SLM成形完的基体进行非金属材料填充，利用FDM工艺挤压熔融材料；

非金属材料可以选取尼龙、橡胶等，非金属的结构依据整体结构的稳定性和物理参量设计。完成FDM非金属部分的填充成形，至此，制备出具有力学稳定性的五模超材料结构。

下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。

实例1：

此为运用本发明来制造Ti6Al4V基五模超材料零件，内部添加非金属橡胶层。蜂窝状结构在声学功能器件上具有典型的工程应用，例如医学上的听诊器、超声探伤等，在生活中也用常见的应用，如KTV包间的隔音降噪的墙壁。用激光选区熔化技术、熔融沉积技术制备与成形钛合金/尼龙多材料框架结构为实例。

Ti6Al4V为近α钛合金，由于其超高的比强度、优异的耐腐蚀性和生物相容性被广泛应用于生物医疗和海洋船舶等领域。本实例基体选用蜂窝状模型演变形式，具体步骤如下：

(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ANSYS和MATLAB分析结果，建立如图1所示的五模超材料结构，在内部设计节点用来平衡整体结构的物性参数，节点位置空腔表面设计了卡槽，方便非金属相的界面稳定性，节点为半径为R1的圆柱，杠杆长为L，宽为t/2，杠杆之间的角度为120°，空腔尺寸为R2，卡槽深度为a，宽度为b；且图1中1为金属相，选取Ti6Al4V合金，2为非金属相，选取橡胶材料，3为卡槽；图2为五模超材料单胞循环结构图。

(2)按照建立好的三维CAD模型，导出STL文件，用SLM工艺制造基体结构；

(3)利用激光选区熔化(SLM)工艺制造金属基体选择适合SLM工艺的金属材料Ti6Al4V，合金粉末平均粒度为30μm，并进行工艺窗口的设计与优化，得到最优的激光加工参数：Ar气气氛，激光功率为200W，铺粉层厚为30μm，激光点间距为75μm，激光曝光时间为50μs，基板预热170℃；

(4)采用喷丸处理对打印件金属基体外表面进行处理，降低其外表面粗糙度，提高精度。内表面采用电化学腐蚀方法实现粗糙度和精度的调控。

(5)根据适合熔融沉积成形(FDM)工艺制造非金属相选择合适的FDM工艺的非金属材料(如橡胶等)，并进行工艺窗口的设计与优化，橡胶为热固性树脂，没有熔点，采取熔融挤出的方式按照一定的形状进行成形；

(6)非金属材料可以选取尼龙等，非金属的结构依据整体结构的稳定性和物理参量设计。

实例2

运用本发明来制造AlSi10Mg基五模超材料界面结构，下层为AlSi10Mg合金，上层为橡胶材料，以激光选区熔化技术、熔融沉积技术制备与成形镁合金/橡胶多材料框架结构，具体步骤如下：

(1)将AlSi10Mg设置为成形的基体材料，其弹性模量E为74.35GPa，密度ρ为2600kg/m³，建立如图所示的锯齿界面结构，图中整体边界高度为H，锯齿之间的距离为a，非锯齿厚度为h，且图2中金属相为Ti6Al4V合金，非金属相为橡胶材料。

(2)按照建立好的三维CAD模型，导出STL文件，用SLM工艺制造基体结构；

(3)利用激光选区熔化(SLM)工艺制造金属基体选择适合SLM工艺的金属材料AlSi10Mg，合金粉末平均粒度为50μm，并进行工艺窗口的设计与优化，得到最优的激光加工参数：激光功率为340W，扫描速度为1100mm/s，扫描间距为0.1mm，扫描层厚为30μm，预热200℃；

(4)采用喷丸处理对打印件金属基体外表面进行处理，降低其外表面粗糙度，提高精度。内表面采用电化学腐蚀方法实现粗糙度和精度的调控。

(5)根据适合熔融沉积成形(FDM)工艺制造非金属相选择合适的FDM工艺的非金属材料(如橡胶等)，并进行工艺窗口的设计与优化，橡胶为热固性树脂，没有熔点，采取熔融挤出的方式按照一定的形状进行成形；

(6)非金属材料可以选尼龙等，非金属的结构依据整体结构的稳定性和物理参量设计。

总之，本发明的实质是根据增材制造多材料在实际应用中的需求，提出设计界面结构的方式改善不同材料之间的连接强度，该方法是在SLM成形金属基体后，采用FDM工艺将非金属材料按照一定的CAD模型形状成形到基体中去，以预设的界面结构强化不同材料之间的界面结合能力，从而使整体的结构的力学性能有大幅度的提升。

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 (7)

1.一种在増材制造中增强五模超材料两相材料结合力的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)对于由多个周期或非周期性排列的六边形微单元组合成的蜂窝状结构的待处理五模超材料，获取该五模超材料中六边形微单元的边长和壁厚，然后设定该五模超材料的密度和模量参数值，调整所述六边形微单元的尺寸和壁厚，使得所述蜂窝状结构的实际密度和模量参数趋近于所述设定值，以此获得所述六边形微单元新的尺寸和壁厚；

(b)在每个所述六边形微单元相邻边的薄壁连接处，金属相与非金属相的交界面设置卡槽，该卡槽的开口方向朝向所述六边形微单元的中心，同时，所有所述薄壁连接处的卡槽关于所述六边形微单元的中心对称；

(c)对所述卡槽的尺寸赋予初始值，根据该初始值计算所述蜂窝状结构的能带曲线，调整所述尺寸的初始值使得所述能带曲线中本征频率的压缩波波速和剪切波波速等于预设值，以此获得的尺寸值为所述卡槽的尺寸；

(d)根据步骤(a)中获得的所述六边形微单元新的尺寸和壁厚和步骤(c)中获得的所述卡槽的尺寸建立所述五模超材料的三维结构模型，采用增材制造的方法成形所述三维结构模型，以此获得所需的五模超材料零件。

2.如权利要求1所述的一种在増材制造中增强五模超材料两相材料结合力的方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述设定的五模超材料的密度和模量参数值分别为1.0×10³kg/m³和[2.25,2.25,0；2.25,2.25,0；0,0,0]。

3.如权利要求1或2所述的一种在増材制造中增强五模超材料两相材料结合力的方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述卡槽的形状优选为方形或三角形。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种在増材制造中增强五模超材料两相材料结合力的方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述压缩波的波速的计算公式优选按照下列表达式：

c_B＝((B+4G/3)/ρ^eff)^1/2

其中，c_B是压缩波的波速，B是体积模量，G是剪切模量，ρ^eff是五模超材料的实际密度，B/G>100。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种在増材制造中增强五模超材料两相材料结合力的方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述剪切波的波速计算公式优选按照下列表达式：

c_G＝(G/ρ^eff)^1/2

其中，c_G是剪切波的波速。

6.如权利要求1所述的一种在増材制造中增强五模超材料两相材料结合力的方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述压缩波波速和剪切波波速的预设值优选为1500m/s和0m/s。

7.如权利要求1-6任一项所述的一种在増材制造中增强五模超材料两相材料结合力的方法，其特征在于，在步骤(d)中，所述采用增材制造的方法成形所述三维结构模型优选按照下列步骤：

(d1)选取待五模超材料的金属相的材料，采用激光选区工艺成形所述五模超材料中的金属相；

(d2)采用机加工或电化学腐蚀的方式去除步骤(a)获得的金属相件表面的毛刺；

(d3)选取非金属相的材料，采用熔融沉积成形的方式在所述金属相上成形所述非金属相，由此完成所述増材制造。