CN112475319A - 变形回复快速响应的镍钛合金构件的4d成形方法及产品 - Google Patents

变形回复快速响应的镍钛合金构件的4d成形方法及产品 Download PDF

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    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes

Abstract

本发明属于金属増材制造相关技术领域，并公开了一种变形回复快速响应的镍钛合金构件的4D成形方法及产品。该方法包括下列步骤：S1对于待成形构件，确定其变形量和变形回复速度要求；采用三周期极小曲面构建两个相对密度不同的点阵结构SA和SB，将该点阵结构SA和SB进行布尔求差运算，以此去除点阵结构中内部相同的部分，获得壳体点阵结构；S2调整所述点阵结构SA和SB的参数，直至满足待成形构件的变形量和变形回复速度要求获得三维模型；S3采用激光选区熔化成形三维模型，以此获得所需的待成形构件。通过本发明，有效控制镍钛合金的成形质量，提高获得的产品大变形和变形回复的响应速度。

Description

变形回复快速响应的镍钛合金构件的4D成形方法及产品
技术领域
本发明属于金属増材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种变形回复快速响应的镍钛合金构件的4D成形方法及产品。
背景技术
增材制造技术是由新材料技术、制造技术、信息技术等多学科交叉融合发展的先进制造技术，它基于构件的CAD模型，通过逐层成形并叠加的原理，能够实现任意复杂结构的成形。4D打印是在增材制造的基础上，采用智能材料或智能构件，在外界特定物理场的作用下，使样品的形状、性能和功能实现随时间或空间发生预定的可控变化。在本发明中，采用的成形方法是增材制造中的激光选区熔化成形，使用的材料为镍钛形状记忆合金粉末，该智能材料以热场作为驱动方式，进而实现样品形状和性能上的变化。
镍钛合金具有低刚度、生物相容性、高阻尼等性能，并具有形状记忆和超弹性等功能特性，是作为4D打印用的一种典型智能材料。但镍钛合金在成形过程中，由于化学成分、残余应力和杂质吸收等因素的影响，容易导致相变温度和相变区间的变化，进而影响成形件的形状记忆效应和超弹性。因此，以往的研究集中于优化工艺参数改善镍钛合金的热裂纹和气孔的生成，但会导致相变温度的可调范围减小，且最优工艺参数对于不同成分的镍钛合金不具备通用性；还有的研究集中于通过显微组织分析宏观缺陷或位错等对于功能性能的影响，但没有提出明确的增强形状记忆效应和实现大变形的方法。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种变形回复快速响应的镍钛合金构件的4D成形方法及产品，一方面，极小曲面点阵结构的多孔结构，有利于打印过程中热量的散发和残余应力的释放，能有效控制镍钛合金的成形质量，实现较宽范围的4D打印参数窗口；另一方面，通过两个相对密度不同的点阵结构进行布尔运算获得的壳体结构进一步增加构件的比表面积，使热流在构件中能够充分且迅速地传热散热，从而增强镍钛合金构件的形状记忆效应，实现镍钛合金功能构件的大变形和变形回复的快速响应。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种变形回复快速响应的镍钛合金构件的4D成形方法，该方法包括下列步骤：
S1对于待成形构件，确定其变形量和变形回复速度要求；采用三周期极小曲面构建两个相对密度不同的点阵结构SA和SB，将该点阵结构SA和SB进行布尔求差运算，以此去除点阵结构中内部相同的部分，获得壳体点阵结构；
S2调整所述点阵结构SA和SB的参数，直至求差后的所述壳体点阵结构的变形量和变形回复速度满足所述待成形构件的变形量和变形回复速度要求，当前的壳体点阵结构即为待成形构件的三维模型；
S3将所述待成形构件的三维模型进行切片获得多个切片层，以镍钛形状记忆合金粉末为原材料，采用激光选区熔化逐层打印每个切片层，以此获得所需的待成形构件。
进一步优选地，在步骤S1中，所述点阵结构SA的相对密度范围为10％～50％，所述点阵结构SB的相对密度范围为5％～40％，点阵结构SA的相对密度大于点阵结构SB的相对密度。
进一步优选地，在步骤S1中，所述三周期极小曲面为Diamond或Gyroid极小曲面构型。
进一步优选地，在步骤S1中，所述点阵结构SA和SB的构建采用隐式方程建模的方法。
进一步优选地，在步骤S2中，所述调整点阵结构SA和SB的参数包括调整其三维尺寸和相对密度。
进一步优选地，在步骤S3中，所述镍钛形状记忆合金粉末为气雾化预合金粉末，材料组成为Ni含量50at％～55at％，余量为Ti；所述激光选区熔化的打印速度为300mm/s～600mm/s，激光功率为70W～130W，扫描间距为80～100μm。
按照本发明的另一个方面，提供了一种上述所述的4D成形方法获得产品，其特征在于，该产品的可回复变形量不小于30％。
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，具备下列有益效果：
1.本发明中选用了两个不同密度的点阵结构，由于点阵结构的单胞构型一致，较大密度的SA结构经布尔差集运算后，会在支杆部分的内部构建出与支杆表面相同曲率的中空结构，从而使点阵结构的表面积进一步扩大；布尔运算后获得的壳体结构内部具有相互贯通的孔洞，在打印过程中，对于散热及残余应力的释放具有很好的效果，能很好的控制镍钛合金打印过程中裂纹及气孔的形成，从而具有较宽的打印参数设置，使镍钛合金的相变温度具有较宽的可调范围，可以有效避免合金基体成分不可控改变和相变温度转变较大的情况；
2.本发明设计的功能构件基于三周期极小曲面点阵结构，通过不同相对密度的点阵结构进行布尔运算获得，得到的点阵结构相对密度范围为5％～45％，其中较小值下的结构能够在达到一定强度的情况下实现高轻量化；而较大相对密度的结构具有更高强度，因此在本范围内可以定制选取所需要的相对密度点阵结构；在三周期极小曲面点阵结构的大平面基础上，进一步增加结构的表面积，使热源在构件中能够迅速传热，从而增强镍钛合金的形状记忆效应并提升变形回复的响应速度；
3.本发明设计的功能构件基于三周期极小曲面点阵结构，由于这种点阵结构的几何连续性和拓扑平滑性的影响，消除了应力集中在杆件节点处的影响，该功能构件应用于医用支架上，可以提供更好的机械性能和生物学性能，如可以降低等效刚度和应力屏蔽，延长金属植入体的使用寿命，较大的比表面积更适合于细胞的附着与生长；
4.本发明根据功能构件应用中所需的形状记忆效应、变形回复的响应速度，控制点阵结构的设计参数如构件构型、支杆直径、内部通道互联性及单胞排列方式等，并控制材料成分和打印过程中的打印参数，将设计的功能构件逐层打印成形，制备得到的镍钛合金快速响应功能构件，具备很强的设计灵活性并我能够满足该构件应用场景下的功能特性。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的制备镍钛合金变形回复的快速响应功能构件的制备方法工艺流程图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的点阵结构SA的结构示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的点阵结构SB的结构示意图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的功能构件生成示意图，其中，SA为相对密度较大的Diamond型点阵结构，SB为相对密度较小的Diamond型点阵结构，D为构件SA的杆径，d为构件SB的杆径；A为功能构件的尺寸；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的Diamond型三维模型的剖面图；
图6是按照本发明的优选实施例所构建的镍钛合金变形回复的快速响应骨关节构件的模型图。
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-布尔运算过程中构件SA，2-布尔运算过程中的构件SB。
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。
如图1所示，一种变形回复快速响应的镍钛合金构件的4D成形方法，具体包括如下步骤：
(a)在功能构件设计方面，包括根据该功能构件应用场景中所需的变形量和变形回复速度，如图2和3所示，设计三周期极小曲面的构件构型和相对密度，并形成两个不同相对密度的点阵结构SA、SB，如图4所示，将这两个点阵结构进行布尔运算，如图5所示，获得壳体功能构件的三维模型，并根据需要将模型切割成所需要的构件形状，该壳体构件的相对密度为上述两个点阵结构相对密度的差；
(b)在功能构件成形方面，采用4D打印成形方法制造构件，包括使用切片软件将设计的功能构件三维模型进行切片处理，切片层厚范围为0.03mm～0.05mm，以镍钛形状记忆合金粉末为原材料，采用激光选区熔化逐层打印成形，获得所需的壳体构件，其中，所述构件三维模型为(a)中设计所得的壳体功能构件的三维模型，其中：
镍钛合金粉末为气雾化法制备，镍元素的含量为50at％～55at％，根据具体需求设计镍钛合金具体成分；激光选区熔化打印镍钛合金是4D打印的一种方式，打印参数设置为：打印速度为300mm/s～600mm/s，激光功率为70W～130W，扫描间距为80-100μm，在成形过程中，每完成一个层厚的扫描制造，工作台下降一个层厚的距离，随后铺粉辊铺粉，激光按照该层系统预设的路径进行扫描制造，最终获得预先设计的功能构件。
作为进一步优选的，在步骤(a)中，所述可回复变形量最大可达30％，通过设计构件的构型、相对密度和排布方式来控制。
作为进一步优选的，在步骤(a)中，所述三周期极小曲面构件构型包括Diamond、Gyroid极小曲面构型。
作为进一步优选的，在步骤(a)中，所述SA、SB的相对密度范围为10％～50％，所述功能构件的相对密度范围为5％～40％，其中，构件SA的相对密度大于SB的相对密度。
作为进一步优选的，在步骤(a)中，所述功能构件为点阵结构SA、SB布尔运算所得，其中布尔运算方法为SA点阵结构减去SB点阵结构。
作为进一步优选的，在步骤(b)中，所述4D打印成形方法为使用镍钛合金粉末通过激光选区熔化的加工方式打印，由于设计的曲面结构具备自支撑性能，打印过程中不需要额外添加支撑。
本发明中，设计不同三周期极小曲面单胞结构的相对密度，结构内部具有相互贯通的孔洞，在打印过程中，对于散热及残余应力的释放具有很好的效果，能很好的控制镍钛合金打印过程中裂纹及气孔的形成，从而具有较宽的打印参数设置，使镍钛合金的相变温度具有较宽的可调范围，可以有效避免合金基体成分不可控改变和相变温度转变较大的情况。
最终制备的形状记忆合金功能构件具有变形回复的快速温度响应特性，在外力作用下构件发生形变后，由于构件的超大表面，在加热场中热流能够充分且迅速地与构件接触，并快速回复至原来的形状，显著增强了构件的形状记忆效应及变形回复的响应速度。
以下以具体实施例来对本发明进行进一步的说明。
实施例1：
(1)根据4D打印的镍钛合金快速响应功能构件在金属骨植入体应用中所需的支撑强度和变形回复的响应速度等要求，设计三周期极小曲面的单胞构型和相应的相对密度，本实例选用的单胞构型为Gyroid结构，该结构在三个方向上周期性螺旋，具有较好的支撑强度，且超大的比表面积也更有利于变形的回复，本结构并通过阵列方法形成两个不同相对密度的点阵结构SA和点阵结构SB，点阵结构设计为边长20mm的立方体形状，点阵结构SA的相对密度为10％，点阵结构SB的相对密度为5％。
(2)将两个不同相对密度的点阵结构进行布尔运算，获得壳体功能构件的三维模型，该壳体构件的相对密度为上述两个点阵结构相对密度的差，该壳体构件的相对密度为5％。如图6所示，根据实际骨植入体的扫-描模型，将本设计得到的构件模型切割处理成骨关节植入体模型。
(3)将设计的壳体结构三维模型通过工业化切片软件进行切片处理，切片处理的切片层厚范围为0.03mm。
(4)以镍钛形状记忆合金粉末为原材料，该镍钛合金粉末为预合金的富镍合金通过气雾化法制备，设置镍钛合金具体成分，镍元素的含量为50at％，余量为钛元素，采用激光选区熔化的成形方法逐层打印成形，激光选区熔化的打印参数设置为：打印速度为500mm/s，激光功率为90W，扫描间距为80μm，在成形过程中，每完成一个层厚的扫描制造，工作台下降一个层厚的距离，随后铺粉辊铺粉，激光按照该层系统预设的路径进行扫描制造，最终获得设计的壳体功能构件。
实施例2：
(1)根据4D打印的镍钛合金快速响应功能构件在金属骨植入体应用中所需的支撑强度和变形回复的响应速度等要求，设计三周期极小曲面的单胞构型和相应的相对密度，本实例选用的单胞构型为Gyroid结构，该结构在三个方向上周期性螺旋，具有较好的支撑强度，且超大的比表面积也更有利于变形的回复，本结构并通过阵列方法形成两个不同相对密度的点阵结构SA和点阵结构SB，点阵结构设计为边长20mm的立方体形状，点阵结构SA的相对密度为10％，点阵结构SB的相对密度为5％。
(2)将两个不同相对密度的点阵结构进行布尔运算，获得壳体功能构件的三维模型，该壳体构件的相对密度为上述两个点阵结构相对密度的差，该壳体构件的相对密度为5％。如图6所示，根据实际骨植入体的扫-描模型，将本设计得到的构件模型切割处理成骨关节植入体模型。
(3)将设计的壳体结构三维模型通过工业化切片软件进行切片处理，切片处理的切片层厚范围为0.03mm。
(4)以镍钛形状记忆合金粉末为原材料，该镍钛合金粉末为预合金的富镍合金通过气雾化法制备，设置镍钛合金具体成分，镍元素的含量为50at％，余量为钛元素，采用激光选区熔化的成形方法逐层打印成形，激光选区熔化的打印参数设置为：打印速度为300mm/s，激光功率为70W，扫描间距为80μm，在成形过程中，每完成一个层厚的扫描制造，工作台下降一个层厚的距离，随后铺粉辊铺粉，激光按照该层系统预设的路径进行扫描制造，最终获得设计的壳体功能构件。
实施例3：
(1)根据4D打印的镍钛合金快速响应功能构件在金属骨植入体应用中所需的支撑强度和变形回复的响应速度等要求，设计三周期极小曲面的单胞构型和相应的相对密度，本实例选用的单胞构型为Gyroid结构，该结构在三个方向上周期性螺旋，具有较好的支撑强度，且超大的比表面积也更有利于变形的回复，本结构并通过阵列方法形成两个不同相对密度的点阵结构SA和点阵结构SB，点阵结构设计为边长20mm的立方体形状，点阵结构SA的相对密度为50％，点阵结构SB的相对密度为40％。
(2)将两个不同相对密度的点阵结构进行布尔运算，获得壳体功能构件的三维模型，该壳体构件的相对密度为上述两个点阵结构相对密度的差，该壳体构件的相对密度为10％。如图6所示，根据实际骨植入体的扫-描模型，将本设计得到的构件模型切割处理成骨关节植入体模型。
(3)将设计的壳体结构三维模型通过工业化切片软件进行切片处理，切片处理的切片层厚范围为0.03mm。
(4)以镍钛形状记忆合金粉末为原材料，该镍钛合金粉末为预合金的富镍合金通过气雾化法制备，设置镍钛合金具体成分，镍元素的含量为50at％，余量为钛元素，采用激光选区熔化的成形方法逐层打印成形，激光选区熔化的打印参数设置为：打印速度为300mm/s，激光功率为70W，扫描间距为80μm，在成形过程中，每完成一个层厚的扫描制造，工作台下降一个层厚的距离，随后铺粉辊铺粉，激光按照该层系统预设的路径进行扫描制造，最终获得设计的壳体功能构件。
实施例4：
(1)根据4D打印的镍钛合金快速响应功能构件在金属骨植入体应用中所需的支撑强度和变形回复的响应速度等要求，设计三周期极小曲面的单胞构型和相应的相对密度，本实例选用的单胞构型为Gyroid结构，该结构在三个方向上周期性螺旋，具有较好的支撑强度，且超大的比表面积也更有利于变形的回复，本结构并通过阵列方法形成两个不同相对密度的点阵结构SA和点阵结构SB，点阵结构设计为边长20mm的立方体形状，点阵结构SA的相对密度为30％，点阵结构SB的相对密度为20％。
(2)将两个不同相对密度的点阵结构进行布尔运算，获得壳体功能构件的三维模型，该壳体构件的相对密度为上述两个点阵结构相对密度的差，该壳体构件的相对密度为20％。如图6所示，根据实际骨植入体的扫-描模型，将本设计得到的构件模型切割处理成骨关节植入体模型。
(3)将设计的壳体结构三维模型通过工业化切片软件进行切片处理，切片处理的切片层厚范围为0.04mm。
(4)以镍钛形状记忆合金粉末为原材料，该镍钛合金粉末为预合金的富镍合金通过气雾化法制备，设置镍钛合金具体成分，镍元素的含量为50at％，余量为钛元素，采用激光选区熔化的成形方法逐层打印成形，激光选区熔化的打印参数设置为：打印速度为600mm/s，激光功率为130W，扫描间距为100μm，在成形过程中，每完成一个层厚的扫描制造，工作台下降一个层厚的距离，随后铺粉辊铺粉，激光按照该层系统预设的路径进行扫描制造，最终获得设计的壳体功能构件。
实施例5：
(1)根据4D打印的镍钛合金快速响应功能构件在金属骨植入体应用中所需的支撑强度和变形回复的响应速度等要求，设计三周期极小曲面的单胞构型和相应的相对密度，本实例选用的单胞构型为Gyroid结构，该结构在三个方向上周期性螺旋，具有较好的支撑强度，且超大的比表面积也更有利于变形的回复，本结构并通过阵列方法形成两个不同相对密度的点阵结构SA和点阵结构SB，点阵结构设计为边长20mm的立方体形状，点阵结构SA的相对密度为30％，点阵结构SB的相对密度为20％。
(2)将两个不同相对密度的点阵结构进行布尔运算，获得壳体功能构件的三维模型，该壳体构件的相对密度为上述两个点阵结构相对密度的差，该壳体构件的相对密度为10％。如图6所示，根据实际骨植入体的扫-描模型，将本设计得到的构件模型切割处理成骨关节植入体模型。
(3)将设计的壳体结构三维模型通过工业化切片软件进行切片处理，切片处理的切片层厚范围为0.03mm。
(4)以镍钛形状记忆合金粉末为原材料，该镍钛合金粉末为预合金的富镍合金通过气雾化法制备，设置镍钛合金具体成分，镍元素的含量为55at％，余量为钛元素，采用激光选区熔化的成形方法逐层打印成形，激光选区熔化的打印参数设置为：打印速度为600mm/s，激光功率为130W，扫描间距为90μm，在成形过程中，每完成一个层厚的扫描制造，工作台下降一个层厚的距离，随后铺粉辊铺粉，激光按照该层系统预设的路径进行扫描制造，最终获得设计的壳体功能构件。
实施例6：
(1)根据4D打印的镍钛合金快速响应功能构件在金属骨植入体应用中所需的支撑强度和变形回复的响应速度等要求，设计三周期极小曲面的单胞构型和相应的相对密度，本实例选用的单胞构型为Gyroid结构，该结构在三个方向上周期性螺旋，具有较好的支撑强度，且超大的比表面积也更有利于变形的回复，本结构并通过阵列方法形成两个不同相对密度的点阵结构SA和点阵结构SB，点阵结构设计为边长20mm的立方体形状，点阵结构SA的相对密度为30％，点阵结构SB的相对密度为10％。
(2)将两个不同相对密度的点阵结构进行布尔运算，获得壳体功能构件的三维模型，该壳体构件的相对密度为上述两个点阵结构相对密度的差，该壳体构件的相对密度为20％。如图6所示，根据实际骨植入体的扫-描模型，将本设计得到的构件模型切割处理成骨关节植入体模型。
(3)将设计的壳体结构三维模型通过工业化切片软件进行切片处理，切片处理的切片层厚范围为0.05mm。
(4)以镍钛形状记忆合金粉末为原材料，该镍钛合金粉末为预合金的富镍合金通过气雾化法制备，设置镍钛合金具体成分，镍元素的含量为53at％，余量为钛元素，采用激光选区熔化的成形方法逐层打印成形，激光选区熔化的打印参数设置为：打印速度为480mm/s，激光功率为100W，扫描间距为90μm，在成形过程中，每完成一个层厚的扫描制造，工作台下降一个层厚的距离，随后铺粉辊铺粉，激光按照该层系统预设的路径进行扫描制造，最终获得设计的壳体功能构件。
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)

1.一种变形回复快速响应的镍钛合金构件的4D成形方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
S1对于待成形构件，确定其变形量和变形回复速度要求；采用三周期极小曲面构建两个相对密度不同的点阵结构SA和SB，将该点阵结构SA和SB进行布尔求差运算，以此去除点阵结构中内部相同的部分，获得壳体点阵结构；
S2调整所述点阵结构SA和SB的参数，直至求差后的所述壳体点阵结构的变形量和变形回复速度满足所述待成形构件的变形量和变形回复速度要求，当前的壳体点阵结构即为待成形构件的三维模型；
S3将所述待成形构件的三维模型进行切片获得多个切片层，以镍钛形状记忆合金粉末为原材料，采用激光选区熔化逐层打印每个切片层，以此获得所需的待成形构件。
2.如权利要求1所述的一种变形回复快速响应的镍钛合金构件的4D成形方法，其特征在于，在步骤S1中，所述点阵结构SA的相对密度范围为10％～50％，所述点阵结构SB的相对密度范围为5％～40％，点阵结构SA的相对密度大于点阵结构SB的相对密度。
3.如权利要求1所述的一种变形回复快速响应的镍钛合金构件的4D成形方法，其特征在于，在步骤S1中，所述三周期极小曲面为Diamond或Gyroid极小曲面构型。
4.如权利要求1所述的一种变形回复快速响应的镍钛合金构件的4D成形方法，其特征在于，在步骤S1中，所述点阵结构SA和SB的构建采用隐式方程建模的方法。
5.如权利要求1所述的一种变形回复快速响应的镍钛合金构件的4D成形方法，其特征在于，在步骤S2中，所述调整点阵结构SA和SB的参数包括调整其三维尺寸和相对密度。
6.如权利要求1所述的一种变形回复快速响应的镍钛合金构件的4D成形方法，其特征在于，在步骤S3中，所述镍钛形状记忆合金粉末为气雾化预合金粉末，材料组成为Ni含量50at％～55at％，余量为Ti；所述激光选区熔化的打印速度为300mm/s～600mm/s，激光功率为70W～130W，扫描间距为80～100μm。
7.一种权利要求1-6任一项所述的4D成形方法获得产品，其特征在于，该产品的可回复变形量不小于30％。
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