CN113084162A - 一种金属/非金属复杂层级珍珠层仿生结构的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属/非金属复杂层级珍珠层仿生结构的制备方法，采用激光粉末床熔融多材料复杂结构的平台进行制备，方法：构建“砖‑桥‑泥”仿生结构；将金属粉末存放在制备平台的下送粉缸内，将非金属粉末存放在制备平台上送粉系统的存储舱内；在成型基板上选择性打印“砖”或“砖‑桥”结构；选择性打印“泥”结构，打印一定厚度的“砖‑泥”或“砖‑桥‑泥”结构；在“砖‑泥”或“砖‑桥‑泥”结构上选择性打印“桥”结构；选择性打印“泥”结构，打印一定厚度的“桥‑泥”结构；重复上述步骤，打印全部“砖‑桥‑泥”仿生结构。本发明在增加材料整体断裂韧性的同时增加了抵抗结构破坏的坚固性，解决了复杂工程结构材料强韧性能权衡问题。

Description

一种金属/非金属复杂层级珍珠层仿生结构的制备方法
技术领域
本发明涉及一种仿生结构的制备方法，尤其是针对金属/非金属复杂层级珍珠层仿生结构的制备方法，属于激光粉末床增材制造技术领域。
背景技术
工程机械装备关键部位的工程结构材料通常需要既坚固又坚韧，然而不幸的是，强度和韧性通常是相互排斥的，传统的工程结构材料经常面临强度和韧性之间的权衡。自然界中存在的大量天然生物结构/材料，经过长期进化，其结构与功能适应自然的程度近乎完美，特别是贝壳珍珠层结构，由大量结晶文石片层(硬相层)和少量生物聚合物层(软相层)相互堆积而成，形成了“软硬”交织、高度有序的“砖-泥”或“砖-桥-泥”复杂层级结构，表现出了强韧、高强度等优异性能，其中，硬相“砖”起到承载载荷的作用；软相“泥”起到传递载荷的作用；而“桥”的作用则使裂纹扩展发生偏转，或使裂纹分裂成多个分支，使应力场和应变场分布更加均匀，允许结构/材料在失效前有更大的能量耗散，从而使仿生结构/材料在具备高强度的同时具有更高的韧性模量。
尽管如此，由于复杂层级“砖-桥-泥”仿生结构具有软硬交织的层状复杂结构、多个长度尺度上的不同结构特征以及材料异质等特点，传统的制造方法无法制备如此复杂的金属/非金属仿生结构件。现有珍珠层仿生结构/材料的研究大多为聚合物类或其他非金属材料，少量金属贝壳珍珠层仿生结构研究，采用电子束熔丝沉积技术或者电弧增材制造技术，制备的只是“砖-泥”结构，而不是“砖-桥-泥”结构，也没有将金属/非金属复合在一起制备复杂层级珍珠层仿生结构的报道，“砖-泥”仿生结构中由于没有设置互联网络分布的“桥”，当裂纹产生时，由于传递路径有限，能量耗散也有限。因此，现有贝壳珍珠层仿生结构的制备不能形成金属/非金属复合在一起的“砖-桥-泥”复杂层级仿生结构，因此不适用于国防装甲装备、农业装备等领域复杂工程结构件的高强度和高韧性的机械性能要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的这些问题，提供一种金属/非金属复杂层级珍珠层仿生结构的制备方法，可获得由“砖-桥-泥”组成的仿贝壳珍珠层结构，解决复杂工程结构经常面临的强度和韧性之间的权衡问题，使复杂工程结构件在具备高强度的同时具有高韧性，为达到上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种金属/非金属复杂层级珍珠层仿生结构的制备方法，采用激光粉末床熔融多材料复杂结构的平台进行制备，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用建模软件构建复杂层级珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构模型，并转换成STL文件导入所述制备平台的操作系统；
(2)选择一种金属粉末，将其存放在制备平台的下送粉缸内，选择一种非金属粉末，将其存放在制备平台的上送粉系统的存储舱内；
(3)用制备平台的刮板在成型基板上铺上一层所述的金属粉末，依据所述的“砖-桥-泥”结构STL文件图形，选择性扫描并固化所铺设的粉末，形成第一层“砖”或“砖-桥”结构；
(4)依据所述的“砖-桥-泥”结构STL文件图形，用制备平台的微吸粉器逐点选择性吸除所述第一层“砖”或“砖-桥”结构层中未被扫描固化的粉末，并用制备平台的上送粉系统在相应位置精确铺设所述的非金属粉末，选择性扫描并固化所铺设的粉末，形成第一层“砖-泥”或“砖-桥-泥”结构；
(5)依据所述的“砖-桥-泥”结构STL文件图形，重复步骤(3)和(4)，打印一定厚度的“砖-泥”或“砖-桥-泥”结构；
(6)用制备平台的刮板在所述的“砖-泥”或“砖-桥-泥”结构上再铺上一层所述的金属粉末，依据所述的“砖-桥-泥”结构STL文件图形，选择性扫描并固化所铺设的粉末，形成第一层“桥”结构；
(7)依据所述的“砖-桥-泥”结构STL文件图形，用制备平台的微吸粉器逐点选择性吸除所述第一层“桥”结构层中未被扫描固化的粉末，并用制备平台的上送粉系统在相应位置精确铺设所述的非金属粉末，选择性扫描并固化所铺设的粉末，形成第一层“桥-泥”结构；
(8)依据所述的“砖-桥-泥”结构STL文件图形，重复步骤(6)和(7)，打印一定厚度的“桥-泥”结构；
(9)重复步骤(3)至(8)，打印全部“砖-桥-泥”仿生结构。
优选的，本发明步骤(1)中，所述建模软件采用Solidworks、Pro/E、CAD等建模软件中的一种。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
本发明提供的这种金属/非金属复杂层级珍珠层仿生结构的制备方法，采用激光粉末床熔融多材料复杂结构的平台进行制备，形成“砖-桥-泥”复杂层级仿生结构，用金属“砖”结构承载载荷，用非金属“泥”结构传递载荷给互联网络分布的金属“桥”结构，使裂纹扩展发生偏转，或使裂纹分裂成多个分支，从而增加能量耗损，并使应力场和应变场分布更加均匀，增加材料整体断裂韧性，同时增加抵抗结构破坏的坚固性，使复杂工程结构件在具备高强度的同时具有高韧性，在国防装甲装备、农业装备等领域具有非常实用的价值。
附图说明
图1是本发明制备金属/非金属复杂层级珍珠层仿生结构的过程示意图；
图2是建模软件构建的第一种“砖-桥-泥”仿生结构示意图，其中，(I)图是主视图，(II)图是俯视图；
图3是建模软件构建的第二种“砖-桥-泥”仿生结构示意图，其中，(I)图是主视图，(II)图是俯视图。
附图中的零部件序号如下：金属激光扫描系统1、成型基板2、成型缸3、上送粉系统4、微吸粉器5、打印的桥6、打印的泥7、打印的砖8、非金属激光扫描系统9。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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，下面结合附图和实施例，对本发明作进一步地说明：
实施例1
如图1、图2所示，本实施例一种金属/非金属复杂层级珍珠层仿生结构的制备方法，采用激光粉末床熔融多材料复杂结构的平台进行制备，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用Solidworks构建复杂层级珍珠层“砖8-桥6-泥7”仿生结构，如图2所示，并转换成STL文件导入所述制备平台的操作系统，其中，单块砖8在z方向的长度是1mm；“砖8-泥7”结构中的泥7在z方向的长度是1mm；“桥6-泥7”结构中的泥7在z方向的长度是0.6mm；“桥6-泥7”结构中的桥6在z方向的长度是0.6mm；
(2)选择316L金属粉末，将其存放在制备平台的下送粉缸内，选择PA12非金属粉末，将其存放在制备平台的上送粉系统4的存储舱内；
(3)用制备平台的刮板在成型基板2上铺上一层316L金属粉末，依据图2文件图形，用制备平台的金属激光扫描系统1选择性扫描并固化所铺设的316L金属粉末，形成第一层“砖8”结构，如图1(I)所示；
(4)依据图2文件图形，用制备平台的微吸粉器5逐点选择性吸除所述第一层“砖8”结构层中未被扫描固化的316L金属粉末，并用制备平台的上送粉系统4在相应位置精确铺设PA12非金属粉末，用制备平台的非金属激光扫描系统9选择性扫描并固化所铺设的PA12非金属粉末，形成第一层316L/PA12“砖8-泥7”金属/非金属复合结构，如图1(II)-(III)和图2(II)所示；
(5)依据图2文件图形，重复步骤(3)和(4)，打印1mm厚度的316L/PA12“砖8-泥7”金属/非金属复合结构；
(6)用制备平台的刮板在1mm厚度的“砖8-泥7”金属/非金属复合结构上再铺上一层316L金属粉末，依据图2文件图形，用制备平台的金属激光扫描系统1选择性扫描并固化所铺设的316L金属粉末，形成第一层“桥6”结构，如图1(IV)所示；
(7)依据图2文件图形，用制备平台的微吸粉器5逐点选择性吸除所述第一层“桥6”结构层中未被扫描固化的316L金属粉末，并用制备平台的上送粉系统4在相应位置精确铺设PA12非金属粉末，用制备平台的非金属激光扫描系统9选择性扫描并固化所铺设的PA12非金属粉末，形成第一层316L/PA12“桥6-泥7”金属/非金属复合结构，如图1(V)所示；
(8)依据图2文件图形，重复步骤(6)和(7)，打印0.6mm厚度的316L/PA12“桥6-泥7”金属/非金属复合结构；
(9)重复步骤(3)至(8)，打印全部“砖8-桥6-泥7”仿生结构，如图1(VI)和图2所示。
实施例2
如图1、图3所示，本实施例一种金属/非金属复杂层级珍珠层仿生结构的制备方法，采用激光粉末床熔融多材料复杂结构的平台进行制备，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用Solidworks构建复杂层级珍珠层“砖8-桥6-泥7”仿生结构，如图3所示，并转换成STL文件导入所述制备平台的操作系统，其中，单块砖8在z方向的长度是1mm；“砖8-泥7”结构中的泥7在z方向的长度是1mm；“桥6-泥7”结构中的泥7在z方向的长度是0.6mm；“桥6-泥7”结构中的桥6在z方向的长度是0.6mm；“砖8-桥6-泥7”结构中的桥6在x-y平面上的尺寸是0.6mm×0.6mm；
(2)选择316L金属粉末，将其存放在制备平台的下送粉缸内，选择PA12非金属粉末，将其存放在制备平台的上送粉系统4的存储舱内；
(3)用制备平台的刮板在成型基板2上铺上一层316L金属粉末，依据图3文件图形，用制备平台的金属激光扫描系统1选择性扫描并固化所铺设的316L金属粉末，形成第一层“砖8-桥6”结构，如图1(I)和图3(II)所示；
(4)依据图3文件图形，用制备平台的微吸粉器5逐点选择性吸除所述第一层“砖8-桥6”结构层中未被扫描固化的316L金属粉末，并用制备平台的上送粉系统4在相应位置精确铺设PA12非金属粉末，用制备平台的非金属激光扫描系统9选择性扫描并固化所铺设的PA12非金属粉末，形成第一层316L/PA12“砖8-桥6-泥7”金属/非金属复合结构，如图1(II)-(III)和图3(II)所示；
(5)依据图3文件图形，重复步骤(3)和(4)，打印1mm厚度的316L/PA12“砖8-桥6-泥7”金属/非金属复合结构；
(6)用制备平台的刮板在1mm厚度的“砖8-桥6-泥7”金属/非金属复合结构上再铺上一层316L金属粉末，依据图3文件图形，用制备平台的金属激光扫描系统1选择性扫描并固化所铺设的316L金属粉末，形成第一层“桥6”结构，如图1(IV)所示；
(7)依据图3文件图形，用制备平台的微吸粉器5逐点选择性吸除所述第一层“桥6”结构层中未被扫描固化的316L金属粉末，并用制备平台的上送粉系统4在相应位置精确铺设PA12非金属粉末，用制备平台的非金属激光扫描系统9选择性扫描并固化所铺设的PA12非金属粉末，形成第一层316L/PA12“桥6-泥7”金属/非金属复合结构，如图1(V)所示；
(8)依据图3文件图形，重复步骤(6)和(7)，打印0.6mm厚度的316L/PA12“桥6-泥7”金属/非金属复合结构；
(9)重复步骤(3)至(8)，打印完成全部“砖8-桥6-泥7”仿生结构，如图1(VI)和图3所示。
本发明涉及的其他未说明部分与现有技术相同。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种金属/非金属复杂层级珍珠层仿生结构的制备方法，采用激光粉末床熔融多材料复杂结构的平台进行制备，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用建模软件构建复杂层级珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构模型，并转换成STL文件导入所述制备平台的操作系统；
(2)选择一种金属粉末，将其存放在制备平台的下送粉缸内，选择一种非金属粉末，将其存放在制备平台的上送粉系统的存储舱内；
(3)用制备平台的刮板在成型基板上铺上一层所述的金属粉末，依据所述的“砖-桥-泥”结构STL文件图形，选择性扫描并固化所铺设的粉末，形成第一层“砖”或“砖-桥”结构；
(4)依据所述的“砖-桥-泥”结构STL文件图形，用制备平台的微吸粉器逐点选择性吸除所述第一层“砖”或“砖-桥”结构层中未被扫描固化的粉末，并用制备平台的上送粉系统在相应位置精确铺设所述的非金属粉末，选择性扫描并固化所铺设的粉末，形成第一层“砖-泥”或“砖-桥-泥”结构；
(5)依据所述的“砖-桥-泥”结构STL文件图形，重复步骤(3)和(4)，打印一定厚度的“砖-泥”或“砖-桥-泥”结构；
(6)用制备平台的刮板在所述的“砖-泥”或“砖-桥-泥”结构上再铺上一层所述的金属粉末，依据所述的“砖-桥-泥”结构STL文件图形，选择性扫描并固化所铺设的粉末，形成第一层“桥”结构；
(7)依据所述的“砖-桥-泥”结构STL文件图形，用制备平台的微吸粉器逐点选择性吸除所述第一层“桥”结构层中未被扫描固化的粉末，并用制备平台的上送粉系统在相应位置精确铺设所述的非金属粉末，选择性扫描并固化所铺设的粉末，形成第一层“桥-泥”结构；
(8)依据所述的“砖-桥-泥”结构STL文件图形，重复步骤(6)和(7)，打印一定厚度的“桥-泥”结构；
(9)重复步骤(3)至(8)，打印全部“砖-桥-泥”仿生结构。
2.根据权利要求1所述的一种金属复杂层级珍珠层仿生结构的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述建模软件采用Solidworks、Pro/E、CAD等建模软件中的一种。
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