CN110341186A - 一种复合增材的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种复合增材制造方法，这种方法是针对于多功能多材料的结构模型构件所具有的多种功能性，构成材料的多样性，而发明的一种复合增材制造方法。本发明首先利用结构设计软件进行模型的内外结构的设计,并进行有限元分析，明确构件结构在受力、受热等物理作用下的变化情况，设计不同受力和受热结构部位的材料构成和组分。其次，利用多种增材制造方法和多种材料，在所制造的结构构件中将一些功能元器件直接制备到所制构件中.实现了制件的强大的多功能性和可靠的结构性能。

Description

一种复合增材的制造方法

技术领域

本发明涉及增材制造的工艺，具体涉及一种复合增材制造多功能多材料模型构件的制备方法，本复合增材制造方法属于增材制造领域。

背景技术

增材制造方法是20世纪八十年代后期发展起来的一种高新制造方法，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。根据在计算机上构造CAD或UG等三维模型，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些列片应自动将他们连接起立，得到一个三维物理实体。

从上世纪89年代发展到现在，增材制造出现几十种工艺方法。应用比较广泛的定型工艺方法有光固化快速成型技术、分层实体造型技术、熔丝成绩造型技术、选择性激光烧结成型技术以及三位打印快速成型技术等。与这些技术方法相对应的成型是被大体分为；光固化设备、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。

现有的增材制造方法通常采用一种材料，不能实现在同一种模型构件上多种材料合理搭配，所以模型构件功能单一，抗冲击强度都很低。要想实现增材制造的模型构件能够真正用于实际机构里，其模型构件的物理（强度、刚度、耐热性、导电性等）、化学性能都应满足实际的功能使用要求。要在模型构件运行情况通过有限元模型分析，预先判断模型构件实际应用中的理化特性和状态情况，明确模型应用中不同部位和结构的受力、受热、抗电磁等物理化学特性，为实际的三维模型所采用的多种材料复合制造成型提供依据。为实现模型构件具有的多功能组合，提高模型构件的多功能器件的物理性能，满足构件的功能要求提供增材制造的依据。

发明内容

本发明针对现有增材制造方法所制造成的模型构件的材料单一，功能单一的问题，而提出的一种复合增材制造方法。

这种复合增材制造方法是首先设计模型构件和“可编程模具”，利用有限元分析软件对模型构件及其“可编程模具”进行分析，明确模型构件各部分在受力、受热等物理冲击过程中的的模量等参数变化，依据此变化的模量等参数设计成型材料的种类和用量。

第二步利用第一种增材制造方法，采用第一种材料制造出模型构件和模型构件的“可编程模具”；

第三步是根据模型构件有限元分析的结构，利用第二种增材制造的方法，采用第二种材料在模型的“可编程模具”上制造出相应功能的模型构件的部分结构，这部分结构由于采用不同材料，构件具有不同的功能属性。

第四步是对经过以上三步所制造出来的模型构件进行表面覆膜出来，利用第四种增材制造的方法，将覆膜材料在模型构件的表面覆盖固化。这种增材制造的方法所制备的覆膜，增加了模型构件的另一项功能。采用了新的覆膜材料。

本发明的复合增材制造方法，采用多种增材制造的工艺如：激光烧结成形工艺、熔丝沉积成形工艺、分层实体制造成形工艺、光固化沉积成形工艺或三维打印快速成形（3DP）等多种成型工艺的互补性制造特点。分层次、分步骤的将模型构件的不同结构，不同功能部位制造出来，使各个不同结构和功能部位结合成一体，增加模型构件的整体强度和可靠性。另外，由于不同层次、不同部位采用不同的增材制造方法，为此使用的材料也不同，实现的各种功能也不同。

复合增材制造中所采用的金属材料有了AL、316L不锈钢-Ni基合金、高速钢、青铜-镍粉、Cu、Fe、Pb、Ni-Sn、Fe-Sn、Fe-Cu、Cu-Sn、W-Cu、Ti-6Al-4V等金属粉末材料中的一种或多种。

复合增材制造所使用的树脂材料包括：热塑性树脂包括聚乳酸（PLA）、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸类（PET）、丙烯青—丁二烯—苯乙烯共聚合物（ABS）以及聚醚醚酮（PEEK）、聚醚砜(PES)、聚芳砜(PASU)、聚苯硫醚(PPS)、聚苯亚砜树脂、自强化聚苯亚基等材料中的一种或多种。

复合增材制造所使用的纤维材料包括：玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、氮化硼纤维中的一种或多种。

本发明具有如下效益：（1）利用互补性的多材料的复合增材制造方法制造模型构件，提高了制造效率；（2）增加了模型的材料的多样性，提高了模型构件的可靠性；（3）增加了模型构件的多功能性，集多相功能于一体，实现了一机多功能的目的。

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：

参见附图1所示为本发明实施例所叙述的增材制造的固定翼飞机机翼结构示意图。

参见附图2所示为本发明实施例所叙述的增材制造所制得的固定翼飞机机翼的“可编程模具”示意图。

参见附图3所示为本发明实施例所叙述的增材制造所制得的固定 翼飞机机翼的有限元分析网格结构图和分析云图。

参见附图4所示本发明实施例所叙述的增材制造所制得的智能假 肢的组成示意图。

参见附图5所示本发明实施例所叙述的增材制造所制得的智能假 肢的碳纤维弹力板进行有限元运动分析云图的示意图，其中：1为蒙 皮、2为前墙、3为翼梁、4为加强筋、5为接头、6为桁条、7为翼肋、8为后墙、9为碳纤维弹力板、10为C型环、11为举止控制环、12为 根底部橡胶块、13为加紧装置、14为超重楔块、15为足底压力传感器、 16为数据采集芯片驱动电路、17为液压杆、18为霍尔效应传感器。

其中：1为蒙皮、2为前墙、3为翼梁、4为加强筋、5为接头、6为桁条、7为翼肋、8为后墙、9为碳纤维弹力板、10为C 型环、11为举止控制环、12为根底部橡胶块、13为加紧装置、14为超重楔块、15为足底压力传感器、16为数据采集芯片驱动电路、17为液压杆、18为霍尔效应传感器。

具体实施方式专利

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，但发明的具体连续纤维复合材料的成型系统装置和实际制作结构并不限于以下的实例。

实施例1

以固定翼飞机机翼的复合制造为例，首先利用CAD设计固定翼飞机机翼的结构图，如图1所示。在机翼结构中，设计出蒙皮1、前墙2、翼梁3、加强筋4、接头5、桁条6、翼肋7和后墙8的在机翼的位置。如图2所示设计出固定翼飞机机翼的“可编程模具”示意图。

然后利用有限元分析固定翼飞机的机翼，如图3所示。先对机翼进行建模，形成飞机结构网格化结构图，然后在模拟飞行过程中的飞机机翼的有限元分析的云图。

通过有限元分析，明确前墙2、翼梁3、加强筋4、接头5、桁条6、翼肋7和后墙8都是机翼的承受应力的支撑结构。

在固定翼飞机机翼的制造过程中，对于具有支撑结构的前墙2、翼梁3、加强筋4、接头5、桁条6、翼肋7和后墙8采用激光熔融烧结的方法，利用钛合金粉末，进行送粉丝激光熔融的增材制造。

在飞机机翼的蒙皮1制造过程中，首先熔丝沉积成形工艺，制作出蒙皮的“可编程模具”如图2所示，利用钛合金熔融体材料，依靠热熔丝成型空间网格化的结构，将短纤维玻璃纤维聚醚醚酮溶液，注入的钛合金网格结构的“可编程模具”中，形成金属骨架，纤维树脂的蒙皮1结构。

在“可编程模具”中将纤维温度传感器、纤维应力传感器、以及湿度传感器预先埋在里面。

将“可编程模具”卸掉，得到蒙皮1的复合纤维材料层。在复合材料层上在制作温度传感器、纤维应力传感器、以及湿度传感器预先埋在里面。利用光敏聚合物每隔1000nm处铺上1mm厚，在紫外光的照射下，形成反应光沟道，在形成的反应沟道中，利用立体平板印刷技术和数字光处理，形成温度传感器。在没有铺设紫外聚合物的地方，利用立体印刷形成光纤应力传感器和湿度传感器。

最后在光敏聚合物上利用熔丝沉积方式，浸碳纤维和聚醚醚酮复合材料，快速平铺到飞机机翼的外表面，增加了碳纤维加强结构。

实施例2

以智能假肢的制造为例，智能假肢就是在假肢上安装有多维力传感器、霍尔效应传感器、电位计、足底压力开关、以及数据采集芯片等传感装置。其中多维力传感器能够检测测量三个防线的地面反向和力矩。可对刚体力/力矩信号进行实时测量。霍尔传感器安装简单，检测信号只有高低电平交换，容易检测和使用，检测电平变化的时间就可以算出步行速度。电位计随时获取关节角度。足底压力开关可以自己检测到足底压力，区分支撑相和摆动相。

另外，在假肢的外包层上安装人造橡胶皮肤，在这种人造橡胶皮肤上安装上温度、触觉以及湿度传感器，真正模拟真实的皮肤的感受。

如图4所示，本发明以小腿和脚部假肢为例的智能假肢的组成示意图。这个智能假肢是由碳纤维弹力板9、C 型环10、举止控制环11、根底部橡胶块12、加紧装置13、超重楔块14、足底压力开关15、数据采集芯片16、液压杆17、霍尔效应传感器18，这些不同的组成部分利用不同的材料。

碳纤维弹力板就是采用碳纤维和聚醚醚酮复合树脂材料制备成，利用熔丝沉积成形工艺。

首先利用CAD结构设计软件设计碳纤维弹力板1的结构。

对这种结构的弹力板9进行有限元运动分析，得到在如5所示。根据这个有限元分析云图确定弹力板的结构密度。橘红色部分为受力强的位置，蓝色为受力最小的位置。

利用增材制造中的熔丝沉积成形工艺，利用碳纤维聚醚醚酮复合树脂，利用所设计的电子模具，依据其中的设计模型的分配切片数据。利用碳纤维聚醚醚酮的熔丝逐层打印成形。本实施例按照男子40码的运动鞋底式样的打印成形，并在橘红色部位按照碳纤维成丝密度60％，蓝色部位按照碳纤维成丝密度40％，其他浅黄色和浅蓝色部位按照碳纤维所在的比例50％，打印成形。这个碳纤维弹力板按照厚度10mm打印成形。

C 型环10为中等弹力的碳纤维结构构件环，这个环在小腿运动过程中，调解小腿和脚部位置的链接，起到脚踝骨的链接作用。制造这个C型环10，利用激光烧结成形工艺，利用钛合金粉末，将碳合金粉末安装电子模具的切片厚度，逐层铺设，激光器将每层钛合金粉末烧蚀成C型结构形状10的结构构件，然后将这个钛合金的C型结构件10的表面铺上联系的碳纤维，这层碳纤维利用熔丝成型的方式直径将碳纤维和聚醚醚酮打印覆盖的C型环10的表面，这样增加的C型环10的弹力，形成表面光滑的富有中等弹力的缓冲C型结构环10。

本发明的C型环10的外直径Φ30mm，内直径Φ20mm，长50mm，表面碳纤维涂层厚2mm。这个C型环10的制作是依据设计的模型。

举止控制环11为高弹性性结构，这个装置能在环中心转动，来平衡退在运动过程中小腿在脚的角度，以满足在运动中的平衡需求。这个环形结构采用钛镁合金粉末，利用光纤激光的烧结成型工艺方法。成型呈半圆形结构，在半圆形内部制备霍尔效应传感器。

根部橡胶块12起到鞋后跟的作用，具有一定的弹力，这个部分利用注塑成型技术，利用根部橡胶块的结构，利用激光不锈钢粉末烧结成型技术，制备了根部橡胶模型的模具。将发泡橡胶液体，通过根部橡胶模具上的注射小孔，将发泡橡胶液体吹进模具内，发热后与空气氧化发泡，形成根部橡胶块。拆除模具，得到根部橡胶。

在根部橡胶模型上直接制成硅橡胶压力传感器。利用柔软的弹性硅胶制成。

足底压力传感器15是由夹在硅片树脂的两个平坦的4mm层之间的线圈组成。在使用前通过测量通过的电流来确定压力，甚至人的运动脉冲。

本发明所设计的足底压力传感器15采用熔融沉积技术（FDM）制造。利用硅橡胶材料，逐层打印出单层硅橡胶的厚度为1mm，长为4mm，宽为2mm。在底层硅胶材料直径2mm厚的空间，安装上合金铜丝的电阻条敏感线圈。最后在电阻敏感线圈上利用FDM工艺方法，逐层打印出逐层打印出单层硅橡胶的厚度为1mm，长为4mm，宽为2mm，形成电阻压力的覆盖层。

本发明在碳纤维弹力板上9表面直接制备上数据采集卡的驱动电路16。利用碳纤维表面碳纤维树脂层直接做底层，利用金属铜合金的高温熔融纳米沉积技术。电极材料选用金属铜锌合金，其中直径为Φ100μm。光纤激光器作为加热单位，光纤激光器的输出光功率为500W，光速质量1.05，波长为1080nm，输出光的功率密度为10G/mm2，利用光纤激光输出的激光熔化金属铜锌合金，让后将熔化后的铜锌溶液，根据电路的设计图，逐条沉积出驱动的集成电路，这个电路图的集成电路宽100μm。

Claims (8)

1.一种复合增材制造方法，其特征在于这种复合增材制造方法是首先设计模型构件和“可编程模具”，利用有限元分析软件对模型构件及其“可编程模具”进行分析，明确模型构件各部分在受力、受热等物理冲击过程中的的模量等参数变化，依据此变化的模量等参数设计成型材料的种类和用量。

2.根据权利要求1所述的一种复合增材制造方法，其特征在于，第二步利用第一种增材制造方法，采用第一种材料制造出模型构件和模型构件的“可编程模具”。

3.根据权利要求1所述的一种复合增材制造方法，其特征在于第三步是根据模型构件有限元分析的结构，利用第二种增材制造的方法，采用第二种材料在模型的“可编程模具”上制造出相应功能的模型构件的部分结构，这部分结构由于采用不同材料，构件具有不同的功能属性。

4.根据权利要求1所述的一种复合增材制造方法，其特征在于利用第四种增材制造的方法，将覆膜材料在模型构件的表面覆盖固化，这种增材制造的方法所制备的覆膜，增加了模型构件的另一项功能，采用了新的覆膜材料。

5.根据权利要求1所述的一种复合增材制造方法，其特征在于采用多种增材制造的工艺如：激光烧结成形工艺、熔丝沉积成形工艺、分层实体制造成形工艺、光固化沉积成形工艺或三维打印快速成形（3DP）等多种成型工艺的互补性制造特点。

6.根据权利要求1所述的一种复合增材制造方法，其特征在于采用的金属材料有了AL、316L不锈钢-Ni基合金、高速钢、青铜-镍粉、Cu、Fe、Pb、Ni-Sn、Fe-Sn、Fe-Cu、Cu-Sn、W-Cu、Ti-6Al-4V等金属粉末材料中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的一种复合增材制造方法，其特征在于使用的树脂材料包括：热塑性树脂包括聚乳酸（PLA）、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸类（PET）、丙烯青—丁二烯—苯乙烯共聚合物（ABS）以及聚醚醚酮（PEEK）、聚醚砜(PES)、聚芳砜(PASU)、聚苯硫醚(PPS)、聚苯亚砜树脂、自强化聚苯亚基等材料中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的一种复合增材制造方法，其特征在于复合增材制造所使用的纤维材料包括：玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、氮化硼纤维中的一种或多种。