CN110341184A - 一种超声增材成形的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布一种超声增材成形的方法，属于增材制造技术领域。本发明从增材制造的材料结构出发，利用树脂纤维增强复合材料作为成形的基材，通过三维超声波震动形成材料的不同的空间结构，利用激光加热固化或低温冷却固化，成为相同规格或不同规格的纤维树脂结构单元，将这些结构单元累加起来，依据设计的模型结构形成实物模型的成形方法。利用本发明所制备的模型构件，其构成的空间结构单元可以依据不同树脂纤维增强材料的规格，不同超声波振动的波长、振幅和频率，得到不同的空间结构单元。

Description

一种超声增材成形的方法
技术领域
本发明涉及一种超声增材制造成形的方法，属于增材制造技术领域。
背景技术
增材制造技术是指基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造模型构件的技术体系。它借助计算机、激光、精密传动和数控等现代化手段，将计算机辅助设计和计算机辅助制造集成一体。
现有增材制造的方法大约有几十种，比较常见有熔丝沉积快速成型技术（FDM）、选择性激光烧结成型技术(SLS)、直接金属激光烧结（DMLS）、电子束熔炼（EBM）、选择性热烧结（SHS）、光固化成形（SLA）、聚合体喷射（PI）、分层实体造型技术（LOM）、石膏3D打印（PP）以及数字光处理（DLP）等增材制造技术。这些增材制造的方法是首先利用CAD等图形设计软件设计需要制造的模型构件，然后依据增材制造的模型结构的分层软件将模型分成若干层，根据每一层结构和材料数据逐层打印，经过累积熔融多层打印层获得设计的模型构件形状结构。
与这些技术方法相对应的成型是被大体分为：材料熔融设备、粘接设备、基于粉末的激光烧结设备、基于热熔丝沉积的3D打印成型设备以及直接喷墨的三维成型设备等先进的制造设备等。
超声波增材制造（UAM）方法就是利用超声波焊接技术，将成形材料逐层叠加焊接，然后利用机械加工设备进行模型形状的修改，得到所设计的模型构件结构形状。
这些增材制造的方法都是根据在计算机上构造的三维模型，按照一定规律将模型离散为一些列片层有序的单元，打印成型系统制作一系列片应自动将他们连接起立，得到一个三维物理实体。
发明内容
本发明不同于通常意义的增材制造方法，本发明的超声波增材制造（UAM）方法是利用超声波振动形成材料的空间立体结构单元，然后利用激光加热固化空间结构单元。通过空间结构材料的逐层平铺，利用超声波逐层熔化成形材料。在熔化的成形材料层上施加一定的压力，同时给予超声振动，在超声波振荡建构空间立体结构单元（3D对象）下，经过激光加热空间结构单元的固化成形。循环材料的铺层-超声波振荡加压-激光固化成形的过程，经过逐层积累打印过程得到所设计的模型结构构件。
本发明利用超声波振荡所形成的空间结构单元包括深槽、中空、栅格状或蜂窝状的内部结构，以及其他各种复杂的几何形状。这些结构单元是依据模型设计的有限元分析，确定所成形材料的微观结构，在X、Y和Z轴上施以不同频率和强度的振动所形成的，并且这些空间单元的结构和形状是无法利用传统的减材制造工艺所无法完成的。
本发明所设计超声波增材制造方法依赖超声波振动的功率、频率、以及振幅等超声波输出参数的大小，同时空间立体单元的成形还受限于所采用的材料的微观结构及其属性。
本发明所设计超声波增材成形的方法为：
一、模型设计，利用CAD、UG或其他三维设计软件设计所要增材制造的模型形状；
二、模型分析，利用分层软件将设计的模型分成N多层（N＞3）；
三、打印规划路径的设计，依据分层的数据控制并增材（打印）出每一层的模型结构；
四、材料的空间结构的设计，利用超声波对所打印出的材料进行机械振动成形，在X轴、Y轴和Z轴上施加不同频率和强度的机械振动。同时利用超声波振动探头对成形材料施加不同的压力，形成材料的微观空间结构的成型，完成空间结构的定型；
五、超声振动参数的设计，针对模型不同部位的受力情况，调整超声波输出的功率、频率、振幅，振动形成不同密度的空间微观单元结构；
六、光固化成形，利用激光对所成形区域进行加热固化空间成形，针对成形材料的空间密度不同，调整固化成形激光的功率和光斑能量密度。实现空间结构层的固化成形，进而得到设计模型的实体结构。
低温固化成形，利用低温气体，对成形区域降温固化形成空间结构单位，针对不同低温气体压力，不同的温度，实现空间结构单位的固化成形，经过增材叠加固化的空间结构材料，进而得到设计模型的实体结构。
本发明所用材料包括工程塑料如： ABS材料、PA材料、PC材料、PPFS材料、PEEK材料、EP材料、Endur材料、尼龙材料等。生物塑料类材料如：PLA材料、PETG材料、PCL材料等，以及热固性塑料、光敏树脂、高分子凝胶、液态树脂等。
增材制造所使用的陶瓷粉末材料、石膏材料等，纤维复合增强材料，以及金属粉末材料、合金粉末材料等多种材料。
本发明具有如下效益：（1）本发明的超声波增材制造方法为增材制造领域提供了一种新的成形方法。（2）这种超声波的增材制造中不仅实现了材料微观结构的成形还提高了成形模型构件的强度和密度。（3）随时改变成形材料的微观结构，实现不同微观空间结构的成形控制，制备了不同的微观空间点阵和立体结构单元。（4）这种超声波增材制造的工艺是固态的，不涉及熔化。（5）这种增材制造方法可以按照点、线、面、体等灵活的规划路径进行材料的空间结构单元定位和固化成形。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。其中在附图中，参考数字之后的字母标记指示多个相同的部件，当泛指这些部件时，将省略其最后的字母标记。在附图中：
图1为超声增材成形方法的框图；
图2为超声增材所制造的飞机机翼的结构示意图；
图3为超声增材所制造飞机机翼的边缘的材料空间结构示意图；
图4为超声增材所制造飞机机翼的中心部位的材料空间结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了许多可应用的创造性概念，该创造性概念可大量的体现于具体的上下文中。在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实现方式的示例性说明，而不构成对本发明范围的限制。
以下结合附图和实施例对本发明的内容作进一步说明，但发明的具体超声增材制造成形方法和装置和实际制作结构并不限于以下的实例。
实施例1
本发明的实施如图1所示，以超声增材制造的不同空间结构的轻体结构为例。所用材料为碳纤维与聚醚醚酮的增强复合树脂材料，依据如图2所示的飞机机翼结构示意图。
1、首先设计轻体结构的飞机机翼模型，利用CAD三维设计软件设计轻体结构的飞机机翼的模型。
2、对轻体结构的飞机机翼模型进行分析，利用有限元分析软件，以飞机运行过程中受到的气压作为条件，进行机翼结构的受力分析。
利用飞机机翼的空间结构，长100cm，宽40cm，厚度5cm的结构，依据厚度方向将机翼分成50层，每层控制在1mm的切片。
3、对飞机机翼的打印成形路径的规划设计，根据飞机机翼的结构，在机翼边缘5cm范围内打印线的密度100条/m，在机翼的中间为50条/m，每条的宽度控制在100微米以内。
4、飞机机翼成形材料的空间结构的设计，根据结构受力的分析，利用超声波所施加的振幅强度，在X轴、Y轴和Z轴上施加不同频率和强度的机械振动，在输出功率800W，频率：40KHz。同时利用超声波振动探头对成形材料施加5N的压力，形成材料的圆锥形空间结构，完成空间结构的定型；
超声振动参数的设计，针对飞机机翼的边缘和中心部位的有限元分析结构，在机翼边缘受力为中心部分的3倍。为设此超声波频率：28kHz，功率:900W，电源电压：220V-240V，50-60Hz，气压:0.5 kg/cm2，产能：50个/分，操作模式：自动输出时间是0.1-0.99s，电源电压：220V 频 率：40KHz，输出功率：800W，气压范围：3-6.8bar。
超声波换能器的结构形式为郎之万能结构PZT-8，频率：28kHz，换能器轮直径：Φ120mm，振动宽度：1mm，转速0.7-2.7m/min可调。
5、光固化成形，激光的波长范围为355nm，出光透镜为1mm×1mm，出光
功率为10W，光斑密度为10焦耳/mm2,持续时间100分钟。
6、光固化后，飞机机翼的成形材料的空间结构为复合空间曲面结构。如图3所示为飞机机翼边缘部位的超声增材制造的碳纤维与聚醚醚酮的空间结构图。图4为飞机机翼中心部位的超声增材制造的碳纤维与聚醚醚酮的空间结构图。
实施例2
以超声增材制造的不同空间结构的轻体结构为例。所用材料为碳纤维与聚醚醚酮的增强复合树脂材料。利用如图1所示的本发明的超声增材制造方法，依据如图2所示的飞机机翼结构示意图。
1、首先设计轻体结构的飞机机翼模型，利用CAD三维设计软件设计轻体结构的飞机机翼的模型。
2、对轻体结构的飞机机翼模型进行分析，利用有限元分析软件，以飞机运行过程中受到的气压作为条件，进行机翼结构的受力分析。
利用飞机机翼的空间结构，长100cm，宽40cm，厚度5cm的结构，依据厚度方向将机翼分成500层，每层控制在0.1mm的切片。
3、对飞机机翼的打印成形路径的规划设计，根据飞机机翼的结构，在机翼边缘4cm范围内打印线的密度200条/m，在机翼的中间为100条/m，每条的宽度控制在100微米以内。
4、飞机机翼成形材料的空间结构的设计，根据结构受力的分析，利用超声波所施加的振幅强度，在X轴、Y轴和Z轴上施加不同频率和强度的机械振动，在输出功率900W，频率:20KHz。同时利用超声波振动探头对成形材料施加的压力，在飞机机翼中心位置施加5N，在飞机机翼边缘施加10N压力，形成材料立体条纹形形空间结构，完成空间结构的定型；
超声振动参数的设计，针对飞机机翼的边缘和中心部位的有限元分析结构，在机翼边缘受力为中心部分的2倍。为设此超声波频率：25kHz，功率:900W，电源电压：220V-240V，50-60Hz，气压：0.5 kg/cm2，产能:60个/分，操作模式：自动输出时间是0.1-0.99s，电源电压：220V 频 率：40KHz，输出功率：900W，气压范围：2-8bar。
超声波换能器的结构形式为郎之万能结构PZT-8，频率：25kHz，换能器轮直径：Φ120mm，振动宽度：1mm，转速0.7-2.7m/min可调。
5、低温冷却固化成形，低温冷却采用液氮冷却固化，液氮冷却喷孔正对应打印成型的点上部，其成型位置的温度0摄氏度，喷孔喷射压力为0.1个大气压，喷孔直径为Φ20mm，持续时间为10分钟。其成形过程从高温熔融态转变为低温固化状态，常温呈现固体结构。
6、光固化后，飞机机翼的成形材料的空间结构为复合空间曲面结构。如图3所示为飞机机翼边缘部位的超声增材制造的碳纤维与聚醚醚酮的空间结构图。图4为飞机机翼中心部位的超声增材制造的碳纤维与聚醚醚酮的空间结构图。

Claims (8)

1.权利要求1，一种超声增材成形方法，其特征在于:利用超声波振动形成材料的空间立体结构单元，然后利用激光加热或低温冷却固化空间结构单元,通过空间结构材料的逐层平铺累加，利用超声波逐层熔化成形材料，在熔化的成形材料层上施加一定的压力，同时给予超声振动，在超声波振荡建构空间立体结构单元（3D对象）下，经过激光加热或低温冷却空间结构单元固化成形，循环材料的铺层-超声波振荡加压-激光固化或冷却固化成形的过程，依据设计的模型结构，经过逐层积累，打印过程得到所实物的模型构件。
2.根据权利要求1所述的一种超声增材制造方法，其特征在于，本发明利用超声波振荡所形成的空间结构单元包括深槽、中空、栅格状或蜂窝状的内部结构，以及其他各种复杂的几何形状。
3.这些结构单元是依据模型设计的有限元分析，确定所成形材料的微观结构，在X、Y和Z轴上施以不同频率和强度的振动所形成的,并且这些空间单元的结构和形状是无法利用传统的减材制造工艺所无法完成的。
4.根据权利要求1所述的一种超声增材制造方法和装置装置，其特征在于，本发明所设计超声波增材制造方法依赖超声波振动的功率、频率、以及振幅等超声波输出参数的大小，同时空间立体单元的成形还受限于所采用的材料的微观结构及其属性。
5.根据权利要求1所述的一种超声增材制造方法和装置装置，其特征在于，其特征在于本发明所设计超声波增材成形的方法为：
一、模型设计，利用CAD、UG或其他三维设计软件设计所要增材制造的模型形状；
二、模型分析，利用分层软件将设计的模型分成N多层（N＞3）；
三、打印规划路径的设计，依据分层的数据控制并增材（打印）出每一层的模型结构；
四、材料的空间结构的设计，利用超声波对所打印出的材料进行机械振动成形，在X轴、Y轴和Z轴上施加不同频率和强度的机械振动,同时利用超声波振动探头对成形材料施加不同的压力，形成材料的微观空间结构的成型，完成空间结构的定型；
五、超声振动参数的设计，针对模型不同部位的受力情况，调整超声波输出的功率、频率、振幅，振动形成不同密度的空间微观单元结构；
六、光固化成形，利用激光对所成形区域进行加热固化空间成形，针对成形材料的空间密度不同，调整固化成形激光的功率和光斑能量密度，实现空间结构层的固化成形，进而得到设计模型的实体结构。
6.低温固化成形，利用低温气体对成形区域降温固化形成空间结构单位，针对不同低温气体压力，不同的温度，实现空间结构单位的固化成形，经过增材叠加固化的空间结构材料，进而得到设计模型的实体结构。
7.根据权利要求1所述的一种超声增材制造方法，其特征在于，本发明所用材料包括工程塑料如： ABS材料、PA材料、PC材料、PPFS材料、PEEK材料、EP材料、Endur材料、尼龙材料等;生物塑料类材料如：PLA材料、PETG材料、PCL材料等，以及热固性塑料、光敏树脂、高分子凝胶、液态树脂等。
8.增材制造所使用的陶瓷粉末材料、石膏材料等，纤维复合增强材料，以及金属粉末材料、合金粉末材料等多种材料。
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