CN110523982A - 一种复合材料增材制造的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合材料增材制造的方法。所述复合材料增材制造的方法包括以下步骤：获取待加工零件的三维模型，在向上生长方向上切片分层，获得多个虚拟层；根据第一虚拟层的形状，铺设复合材料粉末；采用第一电子束沿上下方向加热复合材料粉末并冷却形成第一实体层；采用第二电子束沿水平方向加热第一实体层的上表面，并根据第二虚拟层的形状，在第一实体层上铺设复合材料粉末，再用第一电子束加热并冷却；继续重复上一步骤至所述零件成型。本发明采用第一电子束和第二电子束对粉层的内部充分加热，其中在水平方向上，通过加热实体层的上表面，实现了复合材料粉末与实体层完全熔融，使得制成的零件表面裂纹较少而且质量优良。

Description

一种复合材料增材制造的方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种复合材料增材制造的方法。
背景技术
现代高科技的发展离不开复合材料，复合材料对现代科学技术的发展，有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模，已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。而基于复合材料的增材制造技术更是现代科学研究的热点。
增材制造技术是集计算机学、光学、材料学以及其他学科于一体，将零件的三维模型通过制造设备堆积成具有一定结构和功能的零件的先进制造技术。但是现有的增材制造技术对于材料的要求以及后续的处理不够完善，制造出的零件常常充斥着各种各样的缺陷，主要有表面质量差、内部结构不能满足零件的使用性能等问题。具体如表面出现裂纹，内部有气孔以及裂纹等，使得制造出的零件不能正常的使用，在物理与力学性能方面不达标，对于材料的利用率低，效率低，成功率低，有些零件可能还需后续一系列的热处理才能达到所需的要求。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种复合材料增材制造的方法，旨在解决现有技术制造出的零件表面质量差，内部有气孔以及裂纹的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种复合材料增材制造的方法，所述复合材料增材制造的方法，包括以下步骤：
S101、获取待加工零件的三维模型，在向上生长方向上，对所述三维模型进行切片分层，以获得多个按顺序排列的虚拟层；
S102、根据第一虚拟层的形状，铺设复合材料粉末；
S103、采用第一电子束沿上下方向加热复合材料粉末至熔融态后，冷却形成与所述第一虚拟层对应的第一实体层；
S104、采用第二电子束沿水平方向加热第一实体层的上表面，并根据第二虚拟层的形状，在第一实体层上铺设复合材料粉末，重复S103以形成第二实体层；
S105、继续重复步骤S104至所述零件成型。
可选地，所述第一电子束的加速电压为50kV～200kV；和/或，
所述第一电子束的加热时间为5～10s；和/或,
所述第一电子束的扫描速率为0～100m/s。
可选地，所述第二电子束的加速电压为50kV～200kV；和/或，
所述第二电子束的加热时间为5～10s；和/或,
所述第二电子束的扫描速率为0～100m/s。
可选地，所述步骤S104中，采用低温氮气冷却。
可选地，所述低温氮气的温度为-80℃～-50℃，冷却时间为10～20s。
可选地，所述复合材料粉末的粒径为50～80μm。
可选地，所述复合材料粉末包括高分子材料和金属材料。
可选地，所述高分子材料和所述金属材料的重量比为1:9～9:1。
可选地，所述金属材料为铝铜合金、钒、铬、铁、钴、镍、铜、锌、钌、铑、钯、铟、镓、锡、铅、铋、钢和黄铜中的一种或多种。
可选地，所述高分子材料为碳纤维、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚碳酸酯、聚酰胺、聚乳酸和聚丙烯中的一种或多种。
本发明提供的一种复合材料增材制造的方法。所述复合材料增材制造的方法采用第一电子束和第二电子束相互配合，其中在水平方向上，通过加热实体层的上表面，实现了复合材料粉末与实体层完全熔融，使最终制得的零件内部无气孔、无裂纹，表面质量好、无裂纹；且提高了零件的加工精度，有效地解决了复合材料增材制造中制得零件缺陷多的问题。同时本发明优选高分子材料和金属材料混合的复合材料，更加有力的提升了零件的力学性能。通过上述方案的结合，可充分利用材料制成性能优异的零件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅为本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明提供的一种复合材料增材制造方法的流程示意图；
图2为本发明提供的一种复合材料增材制造方法的实施例1、2、3中零件的立体示意图；
图3为本发明提供的一种复合材料增材制造方法的实施例4、5、6中零件的立体示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。此外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有技术中，增材制造技术对于材料的要求以及后续的处理不够完善，制造出的零件常常充斥着各种各样的缺陷。鉴于此，本发明提出一种复合材料增材制造的方法，请参阅图1，复合材料增材制造的方法包括以下步骤：
S101、获取待加工零件的三维模型，在向上生长方向上，对三维模型进行切片分层，以获得多个按顺序排列的虚拟层。
进一步地，步骤S101还包括，在完成三维模型的切片分层后，将每层虚拟层的数据导入到加工设备的操作系统中。
S102、根据第一虚拟层的形状，铺设复合材料粉末。
在本实施例中，复合材料粉末为金属材料和高分子材料混合而成。优选地，金属材料和高分子材料的粒径均被粉碎至50～80μm，高分子材料和金属材料的重量比为1:9～9:1。
其中，金属材料包括铝铜合金、钒、铬、铁、钴、镍、铜、锌、钌、铑、钯、铟、镓、锡、铅、铋、钢和黄铜中的一种或多种，高分子材料包括碳纤维、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚碳酸酯、聚酰胺、聚乳酸和聚丙烯中的一种或多种。
S103、采用第一电子束沿上下方向加热复合材料粉末至熔融态后，冷却形成与所述第一虚拟层对应的第一实体层。
需要说明的是，步骤S103在进行时，操作系统会根据导入的每层虚拟层的截面轮廓数据，控制第一电子束的扫描路径。
优选地，针对重量比不同的复合材料以及厚度不同的虚拟层，第一电子束的加速电压设定在50kV～200kV内变化。具体地，金属材料(尤其是熔点高的金属如钌、铑、钒、铬等)重量占比越高，每层虚拟层的厚度越厚，加速电压越高，以产生能量密度更高的电子束，使复合材料粉末熔化更充分。
针对形状大小不同的虚拟层，第一电子束的扫描速率设定在0～100m/s内变化，即每层虚拟层的截面面积越大，扫描速率越快。
针对重量比不同的复合材料以及厚度不同的虚拟层，第一电子束的加热时间在5～10s内变化。具体地，金属材料(尤其是熔点高的金属如钌、铑、钒、铬等)重量占比越高，每层虚拟层的厚度越厚，加热时间越长，使复合材料粉末熔化更充分。
在本实施例中，每层虚拟层加工完成后，立即连通低温氮气循环装置，快速冷却以形成与虚拟层对应的实体层。具体地，低温氮气的温度为-80℃～-50℃，冷却时间为10～20s，根据复合材料粉末的加热程度即温度高低，自行调节，这里不再详细赘述。
S104、采用第二电子束沿水平方向加热第一实体层的上表面，并根据第二虚拟层的形状，在第一实体层上铺设复合材料粉末，重复S103以形成第二实体层。
为提高零件的精度，在每层实体层冷却完成后，需要对每层实体层的上表面进行加热。通过第二电子束进行水平方向的加热，使粉末能够与实体层充分熔融，同时第一电子束也沿上下方向加热，使得复合材料粉末加热地更彻底。同样地，每层虚拟层加工完成后，立即连通低温氮气循环装置，快速冷却以形成与虚拟层对应的实体层。
需要说明的是，第二电子束在进行加热时，操作系统会根据每层虚拟层的厚度数据，控制第二电子束的扫描路径，在水平方向加热实体层的上表面，使实体层上表面熔化，其熔化程度需通过调节第二电子束来控制。具体地，第二电子束的加速电压设定在50kV-200kV内变化；第二电子束的扫描速率设定在0-100m/s内变化；第二电子束的加热时间在5-10s内变化。
S105、继续重复步骤S104至所述零件成型。优选地，将零件经过冷却固结、除气、烧结工艺过程，使得零件成为最终的成品。
需要说明的是，在每层虚拟层加工为实体层后，对应调节各电子束的位置，使各电子束扫描加热下一虚拟层对应的复合材料粉末以及实体层。
以下结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
请参阅图2，设计出该零件的三维模型，在向上生长方向上进行切片分层，设定每层虚拟层的厚度为0.8mm，将该零件模型分割为多个虚拟层。并将每层虚拟层的数据导入到加工设备的操作系统中。
根据第一虚拟层的形状，铺设复合材料粉末。其中，复合材料粉末为铝铜合金和碳纤维以重量比9:1混合而成，铝铜合金和碳纤维均被粉碎成粒径为50μm的粉末。
采用第一电子束沿上下方向加热复合材料粉末至熔融态后，连通低温氮气循环装置，冷却形成与所述第一虚拟层对应的第一实体层。其中，第一电子束的加速电压设定为200kV；扫描速率设定为100m/s，加热时间设定为10s，低温氮气的温度设定为-80℃，冷却时间为10s。
采用第二电子束沿水平方向加热第一实体层的上表面，并根据第二虚拟层的形状，在第一实体层上铺设复合材料粉末，采用第一电子束沿上下方向加热复合材料粉末至熔融态后，连通低温氮气循环装置。其中，第二电子束的加速电压设定为200kV；扫描速率设定为100m/s，加热时间设定为10s。
重复上一步骤，直到零件制作完成。
实施例2
请参阅图2，设计出该零件的三维模型，在向上生长方向上进行切片分层，设定每层虚拟层的厚度为0.6mm，将该零件模型分割为多个虚拟层。并将每层虚拟层的数据导入到加工设备的操作系统中。
根据第一虚拟层的形状，铺设复合材料粉末。其中，复合材料粉末中的金属材料为铜、镓，高分子材料为碳纤维、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，金属材料和高分子材料以重量比6:1混合，铜、镓和碳纤维、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物均被粉碎成粒径为60μm的粉末。
采用第一电子束沿上下方向加热复合材料粉末至熔融态后，连通低温氮气循环装置，冷却形成与所述第一虚拟层对应的第一实体层。其中，第一电子束的加速电压设定为100kV；扫描速率设定为50m/s，加热时间设定为6s，低温氮气的温度设定为-70℃，冷却时间为10s。
采用第二电子束沿水平方向加热第一实体层的上表面，并根据第二虚拟层的形状，在第一实体层上铺设复合材料粉末，采用第一电子束沿上下方向加热复合材料粉末至熔融态后，连通低温氮气循环装置。其中，第二电子束的加速电压设定为100kV；扫描速率设定为50m/s，加热时间设定为6s。
重复上一步骤，直到零件制作完成。
实施例3
请参阅图2，设计出该零件的三维模型，在向上生长方向上进行切片分层，设定每层虚拟层的厚度为0.8mm，将该零件模型分割为多个虚拟层。并将每层虚拟层的数据导入到加工设备的操作系统中。
根据第一虚拟层的形状，铺设复合材料粉末。其中，复合材料粉末为钒和聚碳酸酯以重量比3:1混合而成，钒和聚碳酸酯均被粉碎成粒径为70μm的粉末。
采用第一电子束沿上下方向加热复合材料粉末至熔融态后，连通低温氮气循环装置，冷却形成与所述第一虚拟层对应的第一实体层。其中，第一电子束的加速电压设定为120kV；扫描速率设定为50m/s，加热时间设定为9s，低温氮气的温度设定为-80℃，冷却时间为15s。
采用第二电子束沿水平方向加热第一实体层的上表面，并根据第二虚拟层的形状，在第一实体层上铺设复合材料粉末，采用第一电子束沿上下方向加热复合材料粉末至熔融态后，连通低温氮气循环装置。其中，第二电子束的加速电压设定为120kV；扫描速率设定为50m/s，加热时间设定为9s。
重复上一步骤，直到零件制作完成。
实施例4
请参阅图3，设计出该零件的三维模型，在向上生长方向上进行切片分层，设定每层虚拟层的厚度为0.6mm，将该零件模型分割为多个虚拟层。并将每层虚拟层的数据导入到加工设备的操作系统中。
根据第一虚拟层的形状，铺设复合材料粉末。其中，复合材料粉末为钌和聚酰胺以重量比1:9混合而成，钌和聚酰胺均被粉碎成粒径为80μm的粉末。
采用第一电子束沿上下方向加热复合材料粉末至熔融态后，连通低温氮气循环装置，冷却形成与所述第一虚拟层对应的第一实体层。其中，第一电子束的加速电压设定为60kV；扫描速率设定为25m/s，加热时间设定为6s，低温氮气的温度设定为-80℃，冷却时间为15s。
采用第二电子束沿水平方向加热第一实体层的上表面，并根据第二虚拟层的形状，在第一实体层上铺设复合材料粉末，采用第一电子束沿上下方向加热复合材料粉末至熔融态后，连通低温氮气循环装置。其中，第二电子束的加速电压设定为60kV；扫描速率设定为25m/s，加热时间设定为6s。
重复上一步骤，直到零件制作完成。
实施例5
请参阅图3，设计出该零件的三维模型，在向上生长方向上进行切片分层，设定每层虚拟层的厚度为0.8mm，将该零件模型分割为多个虚拟层。并将每层虚拟层的数据导入到加工设备的操作系统中。
根据第一虚拟层的形状，铺设复合材料粉末。其中，复合材料粉末中的金属材料为铑、铟，高分子材料为聚乳酸、聚碳酸酯，金属材料和高分子材料以重量比1:6混合，铑、铟和聚乳酸、聚碳酸酯均被粉碎成粒径为60μm的粉末。
采用第一电子束沿上下方向加热复合材料粉末至熔融态后，连通低温氮气循环装置，冷却形成与所述第一虚拟层对应的第一实体层。其中，第一电子束的加速电压设定为50kV；扫描速率设定为25m/s，加热时间设定为8s，低温氮气的温度设定为-80℃，冷却时间为20s。
采用第二电子束沿水平方向加热第一实体层的上表面，并根据第二虚拟层的形状，在第一实体层上铺设复合材料粉末，采用第一电子束沿上下方向加热复合材料粉末至熔融态后，连通低温氮气循环装置。其中，第二电子束的加速电压设定为50kV；扫描速率设定为25m/s，加热时间设定为8s。
重复上一步骤，直到零件制作完成。
实施例6
请参阅图3，设计出该零件的三维模型，在向上生长方向上进行切片分层，设定每层虚拟层的厚度为0.6mm，将该零件模型分割为多个虚拟层。并将每层虚拟层的数据导入到加工设备的操作系统中。
根据第一虚拟层的形状，铺设复合材料粉末。其中，复合材料粉末为黄铜和聚丙烯以重量比1:3混合而成，黄铜和聚丙烯均被粉碎成粒径为70μm的粉末。
采用第一电子束沿上下方向加热复合材料粉末至熔融态后，连通低温氮气循环装置，冷却形成与所述第一虚拟层对应的第一实体层。其中，第一电子束的加速电压设定为50kV；扫描速率设定为25m/s，加热时间设定为5s，低温氮气的温度设定为-50℃，冷却时间为10s。
采用第二电子束沿水平方向加热第一实体层的上表面，并根据第二虚拟层的形状，在第一实体层上铺设复合材料粉末，采用第一电子束沿上下方向加热复合材料粉末至熔融态后，连通低温氮气循环装置。其中，第二电子束的加速电压设定为50kV；扫描速率设定为25m/s，加热时间设定为5s。
重复上一步骤，直到零件制作完成。
与现有技术相比，本发明提供的复合材料增材制造的方法，采用第一电子束和第二电子束相互配合的形式，分别在上下方向以及水平方向上对复合材料粉末进行充分加热，其中在水平方向上，通过加热实体层的上表面，实现了复合材料粉末与实体层完全熔融，使最终制得的零件内部无气孔、无裂纹，表面质量好、无裂纹；且提高了零件的加工精度，有效地解决了复合材料增材制造中制得零件缺陷多的问题。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种复合材料增材制造的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101、获取待加工零件的三维模型，在向上生长方向上，对所述三维模型进行切片分层，以获得多个按顺序排列的虚拟层；
S102、根据第一虚拟层的形状，铺设复合材料粉末；
S103、采用第一电子束沿上下方向加热复合材料粉末至熔融态后，冷却形成与所述第一虚拟层对应的第一实体层；
S104、采用第二电子束沿水平方向加热第一实体层的上表面，并根据第二虚拟层的形状，在第一实体层上铺设复合材料粉末，重复S103以形成第二实体层；
S105、继续重复步骤S104至所述零件成型。
2.如权利要求1所述的复合材料增材制造的方法，其特征在于，所述第一电子束的加速电压为50kV～200kV；和/或，
所述第一电子束的加热时间为5～10s；和/或,
所述第一电子束的扫描速率为0～100m/s。
3.如权利要求1所述的复合材料增材制造的方法，其特征在于，所述第二电子束的加速电压为50kV～200kV；和/或，
所述第二电子束的加热时间为5～10s；和/或,
所述第二电子束的扫描速率为0～100m/s。
4.如权利要求1所述的复合材料增材制造的方法，其特征在于，步骤S104中，采用低温氮气冷却。
5.如权利要求4所述的复合材料增材制造的方法，其特征在于，所述低温氮气的温度为-80℃～-50℃，冷却时间为10～20s。
6.如权利要求1所述的复合材料增材制造的方法，其特征在于，所述复合材料粉末的粒径为50～80μm。
7.如权利要求1所述的复合材料增材制造的方法，其特征在于，所述复合材料粉末包括高分子材料和金属材料。
8.如权利要求7所述的复合材料增材制造的方法，其特征在于，所述高分子材料和所述金属材料的重量比为1:9～9:1。
9.如权利要求7所述的复合材料增材制造的方法，其特征在于，所述金属材料为铝铜合金、钒、铬、铁、钴、镍、铜、锌、钌、铑、钯、铟、镓、锡、铅、铋、钢和黄铜中的一种或多种。
10.如权利要求7所述的复合材料增材制造的方法，其特征在于，所述高分子材料为碳纤维、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚碳酸酯、聚酰胺、聚乳酸和聚丙烯中的一种或多种。
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