CN112974804A - 一种结构可控的多孔材料增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构可控的多孔材料增材制造方法，该方法包括以下步骤：首先根据应用需求确定多孔材料的内部结构，并绘制三维实体模型，然后确定需要采用的材料种类和规格，随后根据获得的三维实体模型生成包含制备路径信息的二维切片，设定增材制造参数后开始自动打印。本发明采用增材制造技术制作具有微细结构的多孔材料，极大地提高了多孔材料的制备效率和可行性，为复杂结构多孔材料的发展和应用提供了切实可行的技术方案，与传统工艺相比，在多孔材料设计、制备和应用方面都具有明显的优势。

Description

一种结构可控的多孔材料增材制造方法

技术领域

本发明涉及具有微细结构的多孔材料及其增材制备技术领域，具体而言，涉及一种结构可控的多孔材料增材制造方法。

背景技术

多孔材料因其独特的性能而被广泛应用于现代工业，一方面多孔材料具有较大的比表面积，因此可用于化工、环保、能源等领域；另一方面，多孔材料具有较低的密度和较高的强度，可用于航空航天、汽车、生物医疗等领域。

不同的应用领域对多孔材料的要求也不尽相同，催化用途和能源用途的多孔材料要求具有较多的开放孔洞结构，以提供催化反应所需的有效表面积，同时也能提供较好的传质效果，保证催化反应的高效进行；在环保领域，多孔材料可用于水处理、大气处理等方面，用于水处理时要求多孔材料能允许水流大量通过，同时也允许活性材料能负载在多孔材料表面，而用于大气处理时，多孔材料要允许气体大量通过，同时对低浓度的气体成分具有较高的处理能力，因此对多孔材料的孔洞大小、数量和形状都有特殊的要求；而减重节能用途的多孔材料则要求保持较高的强度，对孔洞尺寸和形状无特定要求。

针对不同领域的应用要求，需要对多孔材料的内部结构进行精细化控制。当前，多孔材料的制备工艺主要有粉末冶金、化学腐蚀、高分子发泡等，以上工艺均无法对多孔材料的内部结构进行精细化控制，所获得的多孔材料往往具有不规则多孔结构，且开孔和闭孔的情况不可控，不利于多孔材料的性能的高效利用。紫外光固化打印技术也常被用于制备多孔材料，其通过造孔剂的加入进行固化定型，后期烧结去除造孔剂，从而形成多孔结构，而所获得的多孔材料内部往往有较多的粘结剂残留，孔洞尺寸普遍大于100微米，且存在较多后期烧结导致的缺陷。激光3D打印和电子束3D打印技术作为近几年快速发展的增材制造技术，已被广泛应用于具有复杂内部结构的零部件制备，用于多孔材料制备时，与传统工艺相比，激光3D打印和电子束3D打印技术具有精度高、效率高等特点，可实现内结构的精细化控制，但用于制备小尺度多孔材料时，获得的多孔材料往往存在尺寸精度不够、表面质量差、卡粉等问题，使所制备的多孔材料内部孔隙度降低，综合质量无法达到设计要求。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构可控的多孔材料增材制造方法。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种结构可控的多孔材料增材制造方法，包括：构建待加工工件的三维实体模型；对三维实体模型进行二维切片化处理，得到切层数据；对切层数据进行扫描路径规划，并控制相邻两个二维切片的层间旋转角度、扫描间隔和层间厚度，形成扫描路径数据；将扫描路径数据导入增材制造设备中，选择与所要制造的多孔材料材质相同的原料，进行自动打印得到结构可控的多孔材料。

本发明还提供一种通过上述增材制造方法制造得到的结构可控的多孔材料。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种结构可控的多孔材料增材制造方法，其主要通过控制增材制造过程中的扫描路径数据的制定，即调控相邻两个二维切片的层间旋转角度、扫描间隔和层间厚度，实现结构可控的多孔材料的制备，本发明提供的多孔材料微细结构精细化控制方式可实现微小孔隙的尺寸、形状、数量、空间分布等特征的控制，根据应用场景的不同，可以制备出平均孔径为20-300微米、孔隙率为5-65％及孔型和空间分布灵活可控的多孔材料。由此本发明的实施有利于新型多孔材料精细化结构的开发研究及应用推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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为本发明实施例中的多孔材料制备过程示意图；

图2为本发明示例中平均孔径为150微米的多孔材料的微观形貌图；

图3为本发明示例中平均孔径为180微米的多孔材料的微观形貌图；

图4为本发明示例中平均孔径为100微米的多孔材料的微观形貌图；

图5为本发明示例中平均孔径为250微米的多孔材料的微观形貌图；

图6为本发明示例中平均孔径为200微米的多孔材料的微观形貌图。

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。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。

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构可控的多孔材料增材制造方法。特采用以下的方案：

第一方面，如图1所示，本发明实施例提供一种多孔材料的增材制造方法，包括如下步骤：

步骤S100、多孔材料内部结构的确定。根据应用需要，确定多孔材料需要达到的技术要求，设计多孔材料的内部孔型、孔径大小、孔洞数量以及空间分布等特征，并绘制可用于增材制造的三维实体模型；

步骤S200，根据多孔材料需要达到的技术要求，选定多孔材料的材料种类，根据制备工艺确定材料的状态以及相应的各项特征，并准备可用于增材制备的材料；

进一步的，步骤S200中的多孔材料的原料状态可为粉末、浆料、膏状材料，原料性质可以是金属材料、陶瓷材料、高分子材料中的一种或一种以上的混合；

步骤S300、将步骤S100获得的三维实体模型转换成大量的二维切片，并将所获得的二维切片转换成制备路径信息，并将之导入增材制造设备；

进一步的，步骤S300中的增材制造设备可以是激光3D打印设备，也可以是电子束3D打印设备；

进一步的，步骤S300生成制备路径信息包括相邻两个二维切片的层间旋转角度、扫描间隔和层间厚度；具体的：

相邻的二维切片的制备路径间呈一定角度，层间旋转角度根据要求的孔型和表面质量确定，本发明多孔材料的制备采用的最佳层间旋转角度为10-90°，以实现孔隙形状的控制；

扫描间隔的变化可直接控制多孔结构的大小和形状，同时也影响增材制造效率和质量，本发明多孔材料的制备采用的最佳扫描间隔为20-300微米；

层间厚度的选择会影响孔型和孔洞尺寸，同时也极大地影响增材制造速度和质量，层间厚度太大时，增材制造速度快，但质量较差，而层间厚度太小时，增材制造速度慢，但质量较高，本发明采用多孔材料制备的层间厚度为20-100微米最佳。

步骤S400、设定增材制造参数，将步骤S200获得的材料装入增材制造设备，根据需要选择装入材料的量，随后关上增材制造设备的腔室，采用惰性气体填充打印腔室，随后开始自动打印，获得所需多孔材料。

进一步的，步骤S400中的增材制造参数包括增材制造功率、扫描速度；

增材制造设备为激光3D打印设备时，步骤S400中增材制造功率为50-300W、扫描速度为300-2000mm/s；

增材制造设备为电子束3D打印设备时，步骤S400中增材制造功率为500-3000W、扫描速度为5-80m/s。

第二方面，本发明实施例还提供一种根据上述增材制造方法制备得到的结构可控的多孔材料。

进一步的，采用上述的增材制造方法实现对多孔材料的微细结构精细化控制，包括多孔材料的孔径大小、孔型、孔隙率以及空间分布。

进一步的，多孔材料的孔型为规则和/或不规则孔型；优选地，所述规则孔型为三角形、方形、菱形以及其他多边形孔型。

进一步的，多孔材料的空间分布主要包括孔洞的贯通状态和分布角度；优选地，贯通状态包括孔洞结构的全部贯通、部分贯通及不贯通中的任意一种；优选地，分布角度包括孔洞结构的垂直分布、倾斜分布和具有不同角度的混合分布。

进一步的，采用上述增材制造方法可制备平均孔径为20-300微米、孔隙率为5-65％及孔型和空间分布灵活可控的多孔材料。

可见，采用本发明实施例提供的增材制造方法，可以实现对于多孔材料的孔结构的多方位的调控，可以实现不同孔型和任意空间分布的多孔材料制备，如在保证孔隙率不变的情况下，实现多孔材料孔隙结构的全部贯通、部分贯通、不贯通，亦可实现规则孔、不规则孔、规则孔不规则孔共存的多孔结构。同样，也可保持贯通状态不变或保持孔型不变或保持孔径不变或保持其空间分布不变，对多孔材料的其他特征进行精细化控制和制备，即可实现平均孔径为20-300微米、孔隙率为5-65％及孔型和空间分布灵活可控的多孔材料制备。

由此，本发明实施例提供的多孔材料微细结构精细化控制方式可实现微小孔隙的尺寸、形状、数量、空间分布等特征的控制，根据应用场景的不同，可以制备出平均孔径为20-300微米、孔隙率为5-65％及孔型和空间分布灵活可控的多孔材料。上述结构可控的多孔材料可用于化工、环保、能源、航空航天、汽车、生物医疗等领域。基于以上有益效果，本发明的实施有利于新型多孔材料精细化结构的开发研究及应用推广。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例一

设计的平均孔径为150微米的多孔材料，孔隙为方形，绘制三维模型；

准备用于多孔材料制备的镍合金粉末；

将绘制的方形多孔材料模型进行二维切片，并生成制备路径，层间旋转角度为90°，扫描间隔为200微米，层间厚度为20微米，随后将之导入激光3D打印设备中，将准备的粉末装入打印腔，并用氩气填充打印腔；

设置激光3D打印功率为105W，扫描速度为1000毫米/秒，开始自动打印，获得平均孔径为150微米的多孔材料，多孔材料微观形貌见图2。

实施例二

设计平均孔径为180微米的多孔材料，孔隙为方形，绘制三维模型；

准备用于多孔材料制备的钛合金粉末；

将绘制的方形多孔材料模型进行二维切片，生成制备路径信息，二维切片的层间旋转角度90°，扫描间隔均为260微米，层间厚度为40微米，并将准备的粉末装入打印腔，并用氩气填充打印腔；

设置激光3D打印功率为120W，扫描速度为1000毫米/秒，开始自动打印，获得平均孔径为180微米的多孔材料，多孔材料微观形貌见图3。

实施例三

设计平均孔径为100微米的多孔材料，孔隙为方形，绘制三维模型；

准备用于多孔材料制备的铁镍合金粉末；

将绘制的方形多孔材料模型进行二维切片化，并生成制备路径，采用的层间旋转角度为90°，扫描间隔为180微米，层间厚度为60微米，随后将之导入激光3D打印设备中，将准备的粉末装入打印腔，并用氩气填充打印腔；

设置激光3D打印功率为200W，扫描速度为1000毫米/秒，开始自动打印，获得平均孔径为100微米的多孔材料，多孔材料微观形貌见图4。

实施例四

设计平均孔径为250微米的多孔材料，孔隙为方形，并绘制三维模型；

准备用于多孔材料制备的Incol625粉末；

将绘制的多孔材料模型进行二维切片处理，并生成制备路径，采用的层间旋转角度为90°，扫描间隔为350微米，层间厚度为100微米，随后将之导入电子束3D打印设备中，将准备的粉末装入打印腔，并用氩气填充打印腔；

设置电子束3D打印功率为2500W，扫描速度为20米/秒，开始自动打印，获得平均孔径为250微米的多孔材料，多孔材料微观形貌见图5。

实施例五

设计用于平均孔径为200微米的多孔材料，孔隙为方形，绘制三维模型；

准备用于多孔材料制备的316不锈钢粉末；

将绘制的方形多孔材料模型进行二维切片，并生成制备路径，层间旋转角度为90°，扫描间隔为290微米，层间厚度为50微米，随后将之导入电子束3D打印设备中，将准备的粉末装入打印腔，并用氩气填充打印腔；

设置电子束3D打印设备功率为500W，扫描速度为7米/秒，开始自动打印，获得平均孔径为200微米的多孔材料，多孔材料微观形貌见图6。

由以上实施例可以看出本发明实施例提供的多孔材料微细结构精细化控制方式可实现微小孔隙的尺寸、形状、数量、空间分布等特征的控制，尤其需要说明的是，采用本发明实施例提供的增材制造方法可以实现所设计的多孔结构材料与实际制备得到的多孔材料完全一致，即可以采用本发明实施例提供的增材制造方法制备出根据应用需求和工艺要求的多孔材料，为复杂结构多孔材料的发展和应用提供了切实可行的技术方案。

综上，本发明实施例提供了一种结构可控的多孔材料增材制造方法，首先根据应用需求确定多孔材料的内部结构，并绘制三维实体模型，然后确定需要采用的材料种类和规格，随后根据获得的三维实体模型生成包含制备路径信息的二维切片，设定增材制造参数后开始自动打印。本发明采用增材制造技术制作具有微细结构的多孔材料，极大地提高了多孔材料的制备效率和可行性，为复杂结构多孔材料的发展和应用提供了切实可行的技术方案，与传统工艺相比，在多孔材料设计、制备和应用方面都具有明显的优势。

在以上实现过程中，本发明实施例提供的多孔材料微细结构精细化控制方式可实现微小孔隙的尺寸、形状、数量、空间分布等特征的控制，根据应用场景的不同，平均孔径为20-300微米、孔隙率为5-65％及孔型和空间分布灵活可控的多孔材料。

与现有技术相比，本发明示例的方案具有下述的优点和有益效果：

(1)采用增材制造技术，在保证多孔材料的微细结构的条件下，提高了多孔材料的制备效率、减少了制备工艺复杂度，且采用一次成型，无需后续烧结脱膜等工艺环节，大幅提高了制备效率和工艺灵活性，有利于降低多孔材料的成本及其应用推广；

(2)通过调控增材制造过程中相邻两个二维切片层间旋转角度、扫描间隔和层间厚度等参数对多孔材料的制备进行精细的调控，可以实现不同孔型和任意空间分布的多孔材料制备，可在保证孔隙率不变的情况下，实现多孔材料孔隙结构的全部贯通、部分贯通、不贯通，亦可实现规则孔、不规则孔、规则孔不规则孔共存的多孔结构。同样，也可保持贯通状态不变或保持孔型不变或保持孔径不变或保持其空间分布不变，对多孔材料的其他特征进行精细化控制和制备，可实现平均孔径为20-300微米、孔隙率为5-65％及孔型和空间分布灵活可控的多孔材料的制备。相对于粉末冶金、湿法冶金等现有的制造工艺，本发明可实现多孔材料微细结构的精细化控制和高效制备，有利于新型多孔材料的开发研究与应用。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种结构可控的多孔材料增材制造方法，其特征在于，包括：构建待加工工件的三维实体模型；对所述三维实体模型进行二维切片化处理，得到切层数据；对所述切层数据进行扫描路径规划，并控制相邻两个二维切片的层间旋转角度、扫描间隔和层间厚度，形成扫描路径数据；将所述扫描路径数据导入增材制造设备中，选择与所要制造的多孔材料材质相同的原料，进行自动打印得到所述结构可控的多孔材料。

2.根据权利要求1所述结构可控的多孔材料增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定多孔材料需要达到的技术要求，设计多孔材料的内部孔型、孔径大小、孔洞数量以及空间分布，构建待加工工件的三维实体模型；

根据多孔材料需要达到的技术要求及增材制造工艺要求，确定原料的种类、状态及相应的各项特征；

将所述三维实体模型进行二维切片化处理，得到切层数据，对所述切层数据进行扫描路径规划，并控制相邻两个二维切片的层间旋转角度、扫描间隔和层间厚度，获得扫描路径数据；

将所述扫描路径数据导入增材制造设备，设定增材制造参数，将所述原料装入增材制造设备，开始自动打印，获得所述结构可控的多孔材料。

3.根据权利要求2所述结构可控的多孔材料增材制造方法，其特征在于，所述增材制造设备包括激光3D打印设备和电子束3D打印设备；

所述增材制造的原料包括粉末、浆料、膏状材料；优选地，所述原料为金属材料、陶瓷材料和高分子材料中的一种或多种。

4.根据权利要求2所述结构可控的多孔材料增材制造方法，其特征在于，控制相邻两个二维切片的层间旋转角度为10-90°，扫描间隔为20-300微米及层间厚度为20-100微米。

5.根据权利要求2所述结构可控的多孔材料增材制造方法，其特征在于，所述增材制造参数包括增材制造功率、扫描速度；

优选地，所述增材制造设备为激光3D打印设备时，增材制造参数设定如下：增材制造功率为50-300W、扫描速度为300-2000mm/s；

优选地，所述增材制造设备为电子束3D打印设备时，增材制造参数设定如下：增材制造功率为500-3000W、扫描速度为5-80m/s。

6.一种结构可控的多孔材料，其特征在于，所述结构可控的多孔材料采用权利要求1-5中任一项所述增材制造方法制备得到。

7.根据权利要求6所述结构可控的多孔材料，其特征在于，采用所述的增材制造方法实现对所述多孔材料的微细结构精细化控制，包括多孔材料的孔径大小、孔型、孔隙率以及空间分布。

8.根据权利要求7所述结构可控的多孔材料，其特征在于，所述多孔材料的孔型为规则和/或不规则孔型；

优选地，所述规则孔型包括三角形、方形、菱形以及其他多边形孔型。

9.根据权利要求7所述结构可控的多孔材料，其特征在于，所述多孔材料的空间分布主要包括孔洞的贯通状态和分布角度；

优选地，贯通状态包括孔洞结构的全部贯通、部分贯通及不贯通中的任意一种；

优选地，分布角度包括孔洞结构的垂直分布、倾斜分布和具有不同角度的混合分布。

10.根据权利要求6-9中任一项所述结构可控的多孔材料，其特征在于，采用所述增材制造方法可制备平均孔径为20-300微米、孔隙率为5-65％及孔型和空间分布灵活可控的多孔材料。

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