CN113414409A - 一种梯度功能减振降噪复合材料增减材复合制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种梯度功能减振降噪复合材料增减材复合制造方法，首先对目标材料或者构件进行数模分层及路径规划，根据每层需求，按照所规划的打印路径直接将特定成分的金属粉体或丝材熔化沉积在基体材料上；然后按照预设计的空心球空间排列方式，在沉积层上进行减材加工，得到所需尺寸与深度且排列方式遵循预设排列规则的圆孔阵列，将预制金属空心球放入对应的减材加工的孔内，再根据成分设计需要，对已放入金属空心球的沉积层进行增材沉积成形覆盖空心球阵列；然后数控铣削得到平整的沉积层平面，重复进行增材沉积成形‑圆孔阵列数控加工‑空心球布放‑增材沉积成形‑数控铣削加工的制造过程，即可制造出梯度功能减振降噪复合材料。

Description

一种梯度功能减振降噪复合材料增减材复合制造方法
技术领域
本发明涉及的是一种复合材料及其制备方法，尤其涉及采用增减材复合制造技术制备梯度功能减振降噪复合材料的方法，属于减振降噪功能材料技术领域。
背景技术
为了满足豪华邮轮、远洋货轮和大型远洋船舶乘员的舒适度等，通常采用阻尼材料与复合结构设计来制造减振降噪材料及元器件，用于改善和控制船舶舱室噪音。依据现有舰船减振降噪材料及元器件的结构设计要求，这些减振降噪声学材料要求具有低密度、高强度、高阻尼、耐高温、耐冲击等优异性能。然而，目前国内舰艇减振降噪领域应用最多的材料是有机非金属材料，如橡胶、各类聚合物树脂材料等，这类材料密度低、阻尼性能好，但是力学性能较差，长期使用易老化，导致间隔振特性的损失。可见，现有的减振降噪声元器件用材料的阻尼性能与力学性能以及功能特性难以兼顾，难以满足实际使用过程中对阻尼材料的轻质、高强、高阻尼、以及隔声、隔热和高吸能等特性的要求。因此，工程领域迫切需要采用复合材料的设计思想，发展新型多功能减振降噪材料以满足实际应用需求。
由空心球构成的复合材料，充分应用了复合材料多级次强韧化原理，通过合理的成分、结构设计和适当的制造方式，可实现复合材料集低密度、高强度、高能量吸收能力、热学性能和减隔振等声学性能等多种性能于一体，在工程应用领域具有广阔的应用前景。
而目前传统的材料和结构件的制备技术，成分和结构难以按照设计精准控制，其力学性能和功能特性难以按照设计精确调控，从而使其呈一定规律分布。增减材复合制造技术作为近年来兴起的先进制造技术，具有成分与结构可控制，加工精度高，成型效率高以及可定制化等诸多优点，并且其由下而上，层层堆积的加工特性，让材料性能呈梯度变化更容易控制和实现，这使得复合材料的成分和结构按照设计精确制造成为可能，故增减材复合制造技术开发梯度功能减振降噪复合材料具有了可行性。
发明内容
本发明提出一种梯度功能减振降噪复合材料增减材复合制造的方法，利用复合材料的结构和性能可设计特点，采用先进增减材复合制造技术实现复合材料的成分、结构与性能的精准调控，达到真正意义上成分、结构和功能的一体化设计与制造，进而开发梯度功能减振降噪复合材料与复杂结构元器件。
本发明的目的是这样实现的：
一种梯度功能减振降噪复合材料增减材复合制造方法，首先对目标材料或者构件进行数模分层及路径规划，根据每层需求，按照所规划的打印路径直接将特定成分的金属粉体或丝材熔化沉积在基体材料上；然后按照预设计的空心球空间排列方式，在沉积层上进行减材加工，得到所需尺寸与深度且排列方式遵循预设排列规则的圆孔阵列，将预制金属空心球放入对应的减材加工的孔内，再根据成分设计需要，对已放入金属空心球的沉积层进行增材沉积成形覆盖空心球阵列；然后数控铣削得到平整的沉积层平面，重复进行增材沉积成形-圆孔阵列数控加工-空心球布放-增材沉积成形-数控铣削加工的制造过程，即可制造出梯度功能减振降噪复合材料。
每一沉积层层的厚度由金属空心球的尺寸和相邻两层空心球的间距决定；
用不同成分的粉末或金属丝材进行逐层增材制造，制备出具有梯度成分、组织、结构和性能，用于满足降噪、减振、隔声、隔热和吸能等多性能要求的多功能复合材料；
把不同尺寸、不同成分的金属空心球按照一定的规律排列，或者同一尺寸、同一成分的空心球按照不同的密度排列，以满足不同空心球复合材料的功能特性和力学性能的设计要求，制备出空心球梯度排列的复合材料；
具体工艺为：
步骤1，基板表面除锈除油，装夹定位；
步骤2，分别编辑增材制造、铣削、打孔、放球路径；
步骤3，选择所需成分的粉末，设定激光沉积相应参数，在基板上利用激光沉积头按照预设的路径进行激光沉积增材制造；
步骤4，在激光沉积完成后，利用数控机床的刀库换刀，将激光沉积头换为铣刀，对步骤3沉积层表面进行铣削，精准控制沉积层的形状；
步骤5，铣削加工完成后，利用数控机床的刀库换刀，将铣刀换为球铣刀，步骤4在铣削平整的沉积层上按预设排列方式铣出所需尺寸的孔；
步骤6，在步骤4、步骤5减材加工完成后，利用数控机床的刀库换刀，将球铣刀换为送球装置，按照预设路径将所需成分的金属空心球精确放入已铣出的孔内；
步骤7，对已放入金属空心球的沉积层进行增材沉积成形覆盖空心球阵列，然后数控铣削得到平整的沉积层平面；
步骤8，利用数控机床的刀库换刀，重复步骤3～7，加工完成的金属空心球；
步骤9，加工完成，复合材料或者构件制造结束。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用复合材料的结构性能可设计与控制的特点，结合先进增减材复合制造技术可实现复合材料的成分与结构在制造过程中充分体现设计意图，达到真正意义上成分、结构和功能的设计与制造一体化，进而开发梯度功能减振降噪复合材料，对于高性能减振降噪复合材料制备具有十分重要的理论和工程意义。
金属空心球复合材料中，不同成分的小球在空间中规律排列，使成分按一定规律分布，制造过程实现设计与制造一体化，减材加工的结构控制，以及增材制造的梯度功能控制。
附图说明
图1是金属空心球复合材料增减材制造的方法原理示意图；其中，1为送球装置、2为激光沉积头、3为激光束、4为增材制造沉积层，5为经过减材加工的TiC/AL沉积层、6为基板、7为粉束、8为经过减材加工的铝合金沉积层、9为NiTi合金空心球、10为316不锈钢空心球、11为铣刀、12为球铣刀、13为刀库。
图2是金属空心球复合材料增减材制造的工艺流程图；
图3是复合材料梯度成分与结构示意图；
图4是复合材料中空心球呈体心立方结构分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明提出一种梯度功能减振降噪复合材料增减材复合制造的方法，将采用先进的增减材复合精密制造技术制造梯度功能的金属空心球复合材料；这种创新设计充分利用了增材制造的“成分可控制”、“结构可设计”，减材制造的“高质量”、“高精度”，金属空心球复合材料的“吸能”、“减振降噪”、“隔热”等特性，实现减振降噪复合材料的成分、结构可控制，阻尼性能与力学性能以及功能特性可兼顾。
本发明还包括如下特征：
所述的梯度功能减振降噪复合材料，利用金属空心球为其提供多孔结构，制备出的金属空心球复合材料具有优良的减振降噪性能。空心球在基体中的排列方式即为复合材料中孔洞结构的分布方式，空心球的尺寸即为复合材料中孔洞结构的尺寸，所以复合材料的孔洞结构排列规则和孔隙率可以根据需求设计。金属空心球为特定成分的预制空心球，其成分与基体成分可以不同。预制空心球为特定成分的金属或陶瓷，结构为单层或多层，基体为熔点低于金属空心球的合金或金属基复合材料。梯度功能减振降噪复合材料的增减材制造工艺如下：首先对目标材料或者构件进行数模分层及路径规划，根据每层需求，按照所规划的打印路径直接将特定成分的金属粉体或丝材熔化沉积在基体材料上，然后按照预设计的空心球空间排列方式，在沉积层上进行减材加工，得到所需尺寸与深度且排列方式遵循预设排列规则的圆孔阵列，将预制金属空心球放入对应的减材加工的孔内，再根据成分设计需要，对已放入金属空心球的沉积层进行增材沉积成形覆盖空心球阵列，然后数控铣削得到平整的沉积层平面。这样，重复进行增材沉积成形-圆孔阵列数控加工-空心球布放-增材沉积成形-数控铣削加工的制造过程，即可制造出梯度功能减振降噪复合材料。所述的复合材料增减材复合制造技术，每一沉积层层的厚度由金属空心球的尺寸和相邻两层空心球的间距决定。所述的复合材料增减材复合制造技术，用不同成分的粉末或金属丝材进行逐层增材制造，制备出具有梯度成分、组织、结构和性能，用于满足降噪、减振、隔声、隔热和吸能等多性能要求的多功能复合材料。所述的复合材料增减材复合制造技术，把不同尺寸、不同成分的金属空心球按照一定的规律排列，或者同一尺寸、同一成分的空心球按照不同的密度排列，以满足不同空心球复合材料的功能特性和力学性能的设计要求，制备出空心球梯度排列的复合材料。所述的梯度功能减振降噪复合材料，可通过激光熔化沉积成形和空心球制备两种途径将功能材料引入复合材料中。可以将TiC等陶瓷增强颗粒或NiTi阻尼材料等功能材料与用于激光增材制造的粉末预先均匀混合，通过激光粉末熔化成形引入到复合材料中。可以将TiC陶瓷灯增强颗粒或阻尼材料NiTi等功能材料通过的空心球制备引入复合材料中。将功能材料通过金属空心球制备的方式引入复合材料中时，可用金属丝材代替粉末进行增材制造成形复合材料，提高效率，降低成本。
结合图1金属空心球复合材料增减材制造的方法原理示意图以及图2金属空心球复合材料增减材制造的工艺流程图，简要说明工艺流程如下：
步骤1，基板表面除锈除油，装夹定位；
步骤2，分别编辑增材制造、铣削、打孔、放球路径。
步骤3，选择所需成分的粉末，设定激光沉积相应参数，在基板6上利用激光沉积头2按照预设的路径进行激光沉积增材制造；
步骤4，在激光沉积完成后，利用数控机床的刀库换刀，将激光沉积头2换为铣刀11，对步骤3沉积层表面进行铣削，精准控制沉积层的形状；
步骤5，铣削加工完成后，利用数控机床的刀库换刀，将铣刀11换为球铣刀12，步骤4在铣削平整的沉积层上按预设排列方式铣出所需尺寸的孔；
步骤6，在步骤4、步骤5减材加工完成后，利用数控机床的刀库换刀，将球铣刀12换为送球装置1，按照预设路径将所需成分的金属空心球精确放入已铣出的孔内；
步骤7，对已放入金属空心球的沉积层进行增材沉积成形覆盖空心球阵列，然后数控铣削得到平整的沉积层平面；
步骤8，利用数控机床的刀库换刀，重复步骤3～7，加工完成的金属空心球；
步骤9，加工完成，复合材料或者构件制造结束。
综上所述：一种梯度功能减振降噪复合材料的制造方法，将采用先进的增减材复合精密制造技术成形梯度功能的金属空心球复合材料，利用金属空心球为其提供多孔结构，制备出的金属空心球复合材料具有优良的减振降噪性能，其特征在于，首先对目标材料或者构件进行数模分层及路径规划，根据每层需求，按照所规划的打印路径直接将特定成分的金属粉体或丝材熔化沉积在基体材料上，然后按照预设计的空心球空间排列方式，在沉积层上进行减材加工，得到所需尺寸与深度且排列方式遵循预设排列规则的圆孔阵列，将预制金属空心球放入对应的减材加工的孔内，再根据成分设计需要，对已放入金属空心球的沉积层进行增材沉积成形覆盖空心球阵列，然后数控铣削得到平整的沉积层平面。这样，重复进行增材沉积成形-圆孔阵列数控加工-空心球布放-增材沉积成形-数控铣削加工的制造过程，即可制造出梯度功能减振降噪复合材料，用于满足降噪、减振、隔热、隔声、吸能等多功能的轻量化复合材料。本发明可通过激光熔化沉积成形和空心球制备两种途径将功能材料组元引入金属空心球复合材料中。

Claims (6)

1.一种梯度功能减振降噪复合材料增减材复合制造方法，其特征在于，首先对目标材料或者构件进行数模分层及路径规划，根据每层需求，按照所规划的打印路径直接将特定成分的金属粉体或丝材熔化沉积在基体材料上；然后按照预设计的空心球空间排列方式，在沉积层上进行减材加工，得到所需尺寸与深度且排列方式遵循预设排列规则的圆孔阵列，将预制金属空心球放入对应的减材加工的孔内，再根据成分设计需要，对已放入金属空心球的沉积层进行增材沉积成形覆盖空心球阵列；然后数控铣削得到平整的沉积层平面，重复进行增材沉积成形-圆孔阵列数控加工-空心球布放-增材沉积成形-数控铣削加工的制造过程，即可制造出梯度功能减振降噪复合材料。
2.根据权利要求1所述的梯度功能减振降噪复合材料增减材复合制造方法，其特征在于，每一沉积层层的厚度由金属空心球的尺寸和相邻两层空心球的间距决定。
3.根据权利要求1所述的梯度功能减振降噪复合材料增减材复合制造方法，其特征在于，用不同成分的粉末或金属丝材进行逐层增材制造，制备出具有梯度成分、组织、结构和性能，用于满足降噪、减振、隔声、隔热和吸能等多性能要求的多功能复合材料。
4.根据权利要求1所述的梯度功能减振降噪复合材料增减材复合制造方法，其特征在于，把不同尺寸、不同成分的金属空心球按照一定的规律排列，或者同一尺寸、同一成分的空心球按照不同的密度排列，以满足不同空心球复合材料的功能特性和力学性能的设计要求，制备出空心球梯度排列的复合材料。
5.根据权利要求1所述的梯度功能减振降噪复合材料增减材复合制造方法，其特征在于，具体工艺为：
步骤1，基板表面除锈除油，装夹定位；
步骤2，分别编辑增材制造、铣削、打孔、放球路径；
步骤3，选择所需成分的粉末，设定激光沉积相应参数，在基板上利用激光沉积头按照预设的路径进行激光沉积增材制造；
步骤4，在激光沉积完成后，利用数控机床的刀库换刀，将激光沉积头换为铣刀，对步骤3沉积层表面进行铣削，精准控制沉积层的形状；
步骤5，铣削加工完成后，利用数控机床的刀库换刀，将铣刀换为球铣刀，步骤4在铣削平整的沉积层上按预设排列方式铣出所需尺寸的孔；
步骤6，在步骤4、步骤5减材加工完成后，利用数控机床的刀库换刀，将球铣刀换为送球装置，按照预设路径将所需成分的金属空心球精确放入已铣出的孔内；
步骤7，对已放入金属空心球的沉积层进行增材沉积成形覆盖空心球阵列，然后数控铣削得到平整的沉积层平面；
步骤8，利用数控机床的刀库换刀，重复步骤3～7，加工完成的金属空心球；
步骤9，加工完成，复合材料或者构件制造结束。
6.一种梯度功能减振降噪复合材料，其特征在于，由以下步骤制备而成：首先对目标材料或者构件进行数模分层及路径规划，根据每层需求，按照所规划的打印路径直接将特定成分的金属粉体或丝材熔化沉积在基体材料上；然后按照预设计的空心球空间排列方式，在沉积层上进行减材加工，得到所需尺寸与深度且排列方式遵循预设排列规则的圆孔阵列，将预制金属空心球放入对应的减材加工的孔内，再根据成分设计需要，对已放入金属空心球的沉积层进行增材沉积成形覆盖空心球阵列；然后数控铣削得到平整的沉积层平面，重复进行增材沉积成形-圆孔阵列数控加工-空心球布放-增材沉积成形-数控铣削加工的制造过程，即可制造出梯度功能减振降噪复合材料。
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