CN110238400A - 一种基于三维成像技术和3d打印技术制备泡沫铝材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于泡沫金属材料技术领域，尤其涉及一种基于三维成像技术和3D打印技术制备泡沫铝材料的方法。本发明利用仿生原理模仿非金属多孔材料(比如法棍面包)的孔隙结构，采用CT扫描技术结合3D打印技术，完成了法棍等非金属多孔材料的孔隙结构在泡沫铝材料中的复刻，且与传统方法相比，本发明方法显著提高了泡沫铝材料的抗压强度，为泡沫铝材料的结构强度和结构精度的提升创造了条件。

Description

一种基于三维成像技术和3D打印技术制备泡沫铝材料的方法
技术领域
本发明涉及泡沫金属材料技术领域，尤其涉及一种基于三维成像技术和3D打印技术制备泡沫铝材料的方法。
背景技术
增材制造(3D打印)技术利用高能激光束作为热源，对金属粉末或金属丝进行区域性融化并快速凝固，将所要制造的材料的几何结构进行二维分层，并通过逐层打印的方式将立体材料结构一层一层的打印出来。由于其特殊的制造过程，该方法可以直接打印具有复杂拓扑结构的零构件，如具有特殊孔隙结构的泡沫金属材料等等。目前，增材制造技术所应用的材料已涵盖钛合金、高温合金(如镍基合金和钴基合金)、铝合金、难熔合金、非晶合金、陶瓷等，尤其在航空航天领域的复杂构件和生物制造领域的多孔复杂结构的制造中具有显著优势。目前，激光金属增材制造技术分为两大类，一类是激光选区熔融技术，另一类是激光立体成形技术。其中，激光选区熔融技术是先铺满一层粉末，然后在这一层粉末上面进行激光扫描，再铺下一层粉末，最后把零件从粉末中取出；激光立体成形技术不需要铺粉，而是利用送粉器或金属丝输运装置直接将母材输送到激光的位置熔化并凝固成型，效率比激光选区熔融技术更高，需要的母材量也相对较少。
泡沫铝材料具有相对密度高、孔隙率大、比表面积大的特点，它具有吸能减震、隔音吸声、隔热、电磁屏蔽、质量轻、高比能等优良的物理和力学性能。所以，近年来，泡沫铝材料在航空航天、汽车船舶、建筑装潢等领域被广泛应用。传统制造业使用熔体发泡法等方法制作泡沫铝，但是该方法制作的泡沫铝制品存在孔洞分布不均匀(影响零件性能)以及大尺寸产品制备难度大的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于三维成像技术和3D打印技术制备泡沫铝材料的方法，该方法制备的泡沫铝材料的孔隙结构精确可控，能够精确调控材料的力学性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种基于三维成像技术和3D打印技术制备泡沫铝材料的方法，包括以下步骤：
采用三维成像技术对非金属多孔材料的孔隙结构进行扫描，得到拓扑结构；
将所述拓扑结构分成多个方块，将所述多个方块进行分类并作为不同的结构基元；
对所需的实体零件进行建模和受力变形的模拟仿真，计算出零件各部分在受力条件下所需的强度，然后根据所需强度将所述不同的结构基元进行组合，得到铝合金材料的三维图纸；
将所述三维图纸进行分层，然后将每层图纸的三维图形转换为激光加工路径，生成3D打印策略，再将所述3D打印策略输入3D打印设备进行3D打印，得到泡沫铝材料。
优选的，所述非金属多孔材料包括法国长棍面包、冻豆腐或竹子。
优选的，进行所述分类的基准为方块的孔隙率和孔隙的方向性。
优选的，所述受力变形的模拟仿真包括静载荷以及动载荷下的力学数值模拟。
优选的，对所需的实体零件进行建模和受力变形的模拟仿真的设备为计算机。
优选的，将所述三维图纸进行分层的设备为3D打印设备的分层软件。
本发明提供了一种基于三维成像技术和3D打印技术制备泡沫铝材料的方法，本发明利用仿生原理模仿非金属多孔材料(比如法棍面包)的孔隙结构，采用CT扫描技术建立法棍等多孔材料的泡沫孔隙结构的三维图像，为泡沫结构的结构力学分析提供了条件，也为泡沫铝对此结构的精确复刻奠定了基础，便于对不同孔隙率的多孔材料结构进行选择；
本发明利用3D打印技术对CT扫描的三维图像进行分析，3D打印可以突破模型限制，完全按照三维模型进行加工制作，给法棍等多孔材料泡沫结构的落实提供了技术支持，为泡沫铝材料精确可控的孔隙结构提供了条件；
本发明采用CT扫描技术结合3D打印技术，完成了法棍等非金属多孔材料的孔隙结构在泡沫铝材料中的复刻，且与传统方法相比，本发明方法显著提高了泡沫铝材料的抗压强度，为泡沫铝材料的结构强度和结构精度的提升创造了条件。
附图说明
图1为实施例1中法棍面包的CT扫描图，其中，a为法棍面包内部结构的纵截面图；b为法棍面包的局部三维立体图；c为法棍面包内部结构的横截面图；
图2为实施例1中3D打印结构基元示意图；
图3为实施例1制备的由结构基元组成的AlSi12泡沫铝样品；
图4为实施例1中待打印零件在负载情况下的应力分布图；
图5为实施例1制备的泡沫铝的压缩性能测试图；
图6为对比例1制备的不同泡孔尺寸的泡沫铝的压缩性能测试图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于三维成像技术和3D打印技术制备泡沫铝材料的方法，包括以下步骤：
采用三维成像技术对非金属多孔材料的孔隙结构进行扫描，得到拓扑结构；
将所述拓扑结构分成多个方块，将所述多个方块进行分类并作为不同的结构基元；
对所需的实体零件进行建模和受力变形的模拟仿真，计算出零件各部分在受力条件下所需的强度，然后根据所需强度将所述不同的结构基元进行组合，得到零件的三维图纸；
将所述三维图纸进行分层，然后将每层图纸的三维图形转换为激光加工路径，生成3D打印策略，再将所述3D打印策略输入3D打印设备进行3D打印，得到泡沫铝材料。
本发明采用三维成像技术对非金属多孔材料的孔隙结构进行扫描，得到拓扑结构。在本发明中，所述非金属多孔材料优选包括法国长棍面包、冻豆腐或竹子。在本发明中，所述三维成像技术的设备优选为美国北极星成像公司(NSI)生产的型号为X5000的CT设备。本发明优选根据实际所需零件的不同，调整所述扫描的参数，以适应不同零件的需求。本发明优选在工业CT仓体内的旋转平台上进行所述扫描。
得到拓扑结构后，本发明将所述拓扑结构分成多个方块，将所述多个方块进行分类并作为不同的结构基元。本发明优选按照孔隙率以及孔隙的方向性进行分类，具体为：将孔隙率相近的分为一类；通过计算孔隙外切球最远两切点的连线方向确定孔隙方向，通过统计所有孔隙方向的出现概率来确定结构基元的方向性。在本发明的实施例中，具体是选择孔隙率与普通泡沫铝材料相近尺寸的法棍面包的拓扑结构，通过三维分析软件Avizo对CT重建数据进行处理和分析，得出3D打印多孔结构泡沫铝的数据，并将该三维模型作为结构基元。
本发明对所需的实体零件进行建模和受力变形的模拟仿真，计算出零件各部分在受力条件下所需的强度，然后根据所需强度将所述不同的结构基元进行组合，得到零件的三维图纸。在本发明中，所需的实体零件具体为不含孔结构的所需特定形状的零件。在本发明中，所述模拟仿真优选为通过力学数值模拟结果进行组合。在本发明中，所述实体零件优选为中小尺寸零件，所述中小尺寸优选为120mm×120mm×120mm以下。在本发明中，所述组合具体是将结构基元的三维图纸拼接起来，组合成零件的三维图纸。本发明对所需零件进行建模和受力变形的模拟仿真的设备优选为计算机。本发明优选根据所需的实体零件进行受力分析，计算出应力分布，并根据应力分布将扫描得到的结构基元进行拼接，得到零件的三维图纸。在本发明的实施例中，具体是使用3D Systems-Prox200打印设备配套的设计软件设计出待打印零件的三维实体模型，对三维实体模型进行受力分析，根据载荷分布情况使用不同孔隙率的结构基元制定拼接策略，生成零件的三维图纸。
得到零件的三维图纸后，本发明将所述三维图纸进行分层，然后将每层图纸的三维图形转换为激光加工路径，生成3D打印策略，再将所述3D打印策略输入3D打印设备进行3D打印，得到泡沫铝材料。本发明将所述三维图纸进行分层的设备优选为3D打印设备的分层软件。在本发明的实施例中，具体是3D打印设备按照激光加工路径控制激光束选取金属粉末(AlSi12粉末，粒度为D(50)＝30μm)，进行3D打印。在本发明中，所述3D打印设备优选为美国3Dsystems公司生产的型号为prox200的3D打印设备。本发明优选采用选区熔融增材制造方法进行所述3D打印。
下面结合实施例对本发明提供的基于三维成像技术和3D打印技术制备泡沫铝材料的方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将法国长棍面包置于工业CT仓体内的旋转平台上，使用X-ray三维成像技术对法棍面包的孔隙结构进行扫描，获得法棍面包的拓扑结构；
选择孔隙率与对比材料(熔体发泡法制备的普通泡沫铝材料)相近尺寸(5mm×5mm×5mm)的法棍面包的拓扑结构，通过三维分析软件Avizo对法棍面包的CT重建数据进行处理和分析，得出该拓扑结构的孔隙率为62.7％，平均孔洞直径为6.24mm，并将该法棍面包立方体的三维模型作为结构基元；
在计算机上使用3D Systems-Prox200打印设备配套的设计软件设计出待打印零件的三维实体模型，对三维实体模型进行受力分析，计算出待打印零件在负载情况下的应力分布(如图4所示)，模拟结果显示该零件在承受纵向载荷情况下，内部应力分布较为均匀，因此使用同一孔隙率的结构基元(5mm×5mm×5mm)进行空间密排，生成尺寸为φ30mm×20mm的圆柱形测试件三维图纸，然后将所述三维图纸进行分层，将每层的三维图各个截面的轮廓数据转换为激光加工路径，生成3D打印策略，再将所述3D打印策略输入3D打印设备(3D Systems公司的Prox 200设备)，3D打印设备按照激光加工路径控制激光束选取金属粉末(AlSi12粉末，粒度为D(50)＝30μm)，进行3D打印，对法棍面包孔隙结构的精准复刻，得到泡沫铝。
图1为实施例1中法棍面包的CT扫描图，其中，a为法棍面包内部结构的纵截面图；b为法棍面包的局部三维立体图；c为法棍面包内部结构的横截面图；可以看出，本发明的方法扫描重构出的结构精度较高，可以满足泡沫铝的要求。
图2为实施例1中3D打印结构基元示意图，由图可以看出，本发明选择的结构基元具有多个孔隙，该三维模型精确体现了法棍面包的拓扑结构。
图3为实施例1制备的由结构基元组成的AlSi12泡沫铝样品；由图可知，本发明方法制备得到了具有法棍面包孔隙结构的泡沫铝。
采用本发明提供的方法，在实际生产过程中，可根据所需泡沫铝的性能要求，选用不同孔洞尺寸和分布的结构基元进行组合完成打印，满足不同零件的要求。
对比例1
按照传统方法制备泡沫铝材料，具体方法参考文献10.3969/j.issn.1000-4750.2003.04.031。
将实施例1制备的泡沫铝材料和对比例1制备的普通泡沫铝进行比较，将制备的测试件放入万能试验机，测试压缩性能，具体结果见图5和图6。
图5为实施例1制备的泡沫铝的压缩性能测试图；图6为对比例1制备的不同泡孔尺寸的泡沫铝的压缩性能测试图；图5和图6表明：在相近致密度和孔洞尺寸的条件下，实施例1制造出的泡沫铝(抗压强度为43MPa)比对比例1中传统方法制造的泡沫铝(抗压强度均低于15MPa)表现出更好的抗压强度。
由以上实施例可知，本发明提供了一种基于三维成像技术和3D打印技术制备泡沫铝材料的方法，本发明采用CT技术结合3D打印技术，完成了法棍等非金属多孔材料的孔隙结构在泡沫铝材料中的复刻，且与传统方法相比，本发明方法显著提高了泡沫铝材料的抗压强度，为泡沫铝材料的结构强度和结构精度的提升创造了条件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于三维成像技术和3D打印技术制备泡沫铝材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用三维成像技术对非金属多孔材料的孔隙结构进行扫描，得到拓扑结构；
将所述拓扑结构分成多个方块，将所述多个方块进行分类并作为不同的结构基元；
对所需的实体零件进行建模和受力变形的模拟仿真，计算出零件各部分在受力条件下所需的强度，然后根据所需强度将所述不同的结构基元进行组合，得到零件的三维图纸；
将所述三维图纸进行分层，然后将每层图纸的三维图形转换为激光加工路径，生成3D打印策略，再将所述3D打印策略输入3D打印设备进行3D打印，得到泡沫铝材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非金属多孔材料包括法国长棍面包、冻豆腐或竹子。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进行所述分类的基准为方块的孔隙率和孔隙的方向性。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述受力变形的模拟仿真包括静载荷以及动载荷下的力学数值模拟。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所需的实体零件进行建模和受力变形的模拟仿真的设备为计算机。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述三维图纸进行分层的设备为3D打印设备的分层软件。
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