CN113414410B - 一种金属空心球复合材料增减材制造的方法 - Google Patents

一种金属空心球复合材料增减材制造的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种金属空心球复合材料增减材制造的方法，所述金属空心球复合材料由嵌入在基体中的按一定空间排列方式规则排布的空心球和金属基体构成，首先将目标零件转化为数字模型文件，设计出打印路径后直接将金属粉体或丝状材料熔融沉积在基材上，按照计算机仿真模拟辅助设计的空心球空间排列方式，利用数控加工机床的铣削减材功能，在沉积层上准确加工尺寸与空心球直径吻合的、成一定排列方式的圆孔阵列，将尺寸均匀的金属空心球放入加工好的圆孔，再进行下一层激光粉末沉积或丝材沉积，重复圆孔铣削加工—空心球布放—沉积成形的工艺过程，即可制造出空心球三维空间排列的复合材料。实现金属空心球复合材料设计制造一体化，结构性能可控制。

Description

一种金属空心球复合材料增减材制造的方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料增减材制造的方法，尤其涉及一种金属空心球复合材料增减材制造的方法，属于减振降噪功能材料技术领域。
背景技术
由于多孔金属材料的轻量化、减振降噪、多功能化等诸多优点和特殊性能，在航空航天、舰船、军事等领域具有重要的应用价值。但是随着工程应用领域对多孔金属材料性能要求的逐渐提高，传统的多孔金属材料的一些缺点逐渐暴露出来。如金属泡沫具有孔隙大小和分布不均匀的缺点，导致其材料性能不均匀；蜂窝材料的高度方向性导致纵横向力学性能差异较大。金属空心球复合材料是通过一定的制备工艺，将空心球均匀分布于金属基体中，进而制备出含有空心球结构的金属基复合材料。由于金属空心球复合材料的孔隙分布均匀，尺寸相对均一，空心球的大小、壁厚以及在基体中的三维空间排列特征等都具有可设计的特点，因此，相比于传统的泡沫金属，该材料具有更为优良的机械性能，更好的阻尼和吸能特性，更好的降噪性能，更好的隔热特性，故近年来工程领域对这种采用复合材料的设计思想开发的复合材料的关注度日益增加。
由空心球构成的复合材料因具有低密度、高强度、高能量吸收能力、良好的声学、热学性能、良好的阻尼性能等特点，已在航空航天和舰艇等领域获得了应用。而金属空心球在复合材料中的排列方式对复合材料的力学性能和功能特性有较大影响，但是采用传统的铸造和粉末冶金等方法制备的金属空心球复合材料，空心球在复合材料中排布是随机的，难以按照设计来精准的制造，这导致金属空心球复合材料结构和性能不可控，难以根据工程需要做出符合设计的梯度功能复合材料，做不到结构和功能一体化，同时也难以保证高加工精度的要求，这使得采用传统制备技术制备的金属空心球复合材料的力学性能与功能特性难以兼顾。随着应用的深入，工程领域迫切需要一种成分可调控，结构、功能可设计，高加工精度的金属空心球复合材料。
随着激光增材技术的不断发展，其快速成型，近净成形，可定制化相对于传统加工方式具有很大优势，激光增材制造金属基复合材料结构件也得到了快速的发展，使得激光制造技术开发金属空心球复合材料具有了可行性。
发明内容
本发明的目的是为了实现材料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、结构和功能的一体化设计与制造而提供一种金属空心球复合材料增减材制造的方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种金属空心球复合材料增减材制造的方法，所述金属空心球复合材料由嵌入在基体中的按一定空间排列方式规则排布的空心球和金属基体构成，包括如下步骤：
首先将目标零件转化为数字模型文件，设计出打印路径后直接将金属粉体或丝状材料熔融沉积在基材上，按照计算机仿真模拟辅助设计的空心球空间排列方式，利用数控加工机床的铣削减材功能，在沉积层上准确加工尺寸与空心球直径吻合的、成一定排列方式的圆孔阵列，将尺寸均匀的金属空心球放入加工好的圆孔，再进行下一层激光粉末沉积或丝材沉积，重复圆孔铣削加工—空心球布放—沉积成形的工艺过程，即可制造出空心球三维空间排列的复合材料。
具体包括如下步骤：
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与所用金属空心球尺寸一致的孔；
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10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，利用数控机床的刀库换刀，重复步骤3～6；
步骤8，加工完成，冷却复合材料，清洗晾干。
所述空心球为预制金属或多层空心球，基体为熔点低于金属空心球的合金或金属基复合材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
该发明将将采用先进的增减材复合精密制造技术成型个性化设计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“近净成形”、“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，实现金属空心球复合材料设计制造一体化，结构性能可控制；
通过先进的数控加工准确控制空心球的三维空间排列，克服了传统的铸造成型技术难以制造复杂空心球三维排列结构、空心球分布不均匀、组织性能不易控制等不足。
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；1为铣刀、2为激光沉积头、3为增材制造沉积层、4为基板、5为粉束、6为激光束、7为经过减材加工的沉积层、8为金属空心球、9为送球装置、10为球铣刀；
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是增减材制造的金属空心球复合材料示意图；
图4是增减材制造的金属空心球复合材料空心球空间结构剖面示意图。
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。
本发明提出一种金属空心球复合材料增减材制造的方法，利用复合材料的多级次、多尺度强韧化原理，结合先进增减材制造技术可实现材料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、结构和功能的一体化设计与制造。
为了实现上述目的，本发明提供了一种金属空心球复合材料增减材制造的方法。该发明将将采用先进的增减材复合精密制造技术成型个性化设计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“近净成形”、“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，实现金属空心球复合材料设计制造一体化，结构性能可控制。
本发明还包括如下特征：
所述金属空心球复合材料，由嵌入在基体中的按一定空间排列方式规则排布的空心球和金属基体构成。
所述金属空心球复合材料，其中空心球为预制金属或多层空心球，基体为熔点低于金属空心球的合金或金属基复合材料。
所述金属空心球复合材料，预制空心球为复合材料提供闭孔，使复合材料的孔隙均匀，且能够控制其分布结构，可以根据材料所需的性能进行设计，尺寸和排布的规则都可以进行更改。
金属空心球复合材料，其增减材制备工艺如下：首先将目标零件转化为数字模型文件，设计出打印路径后直接将金属粉体或丝状材料熔融沉积在基材上，按照计算机仿真模拟辅助设计的空心球空间排列方式，利用数控加工机床的铣削减材功能，在沉积层上准确加工尺寸与空心球直径吻合的、成一定排列方式的圆孔阵列，将尺寸均匀的金属空心球放入加工好的圆孔，再进行下一层激光粉末沉积或丝材沉积。重复圆孔铣削加工—空心球布放—沉积成形的工艺过程，即可制造出空心球三维空间排列的复合材料。
所述制备工艺，可以完全按照设计的结构，分层进行生产，属于近净成型，所需加工量极少。
所述制备工艺，每一沉积层的厚度可根据空心球的尺寸来设计，根据三维空间排列方式来设计每一层中空心球的排列方式，金属空心球三维空间排列方式可以通过计算机仿真模拟来预先设计。
所述制备工艺，通过先进的数控加工准确控制空心球的三维空间排列，克服了传统的铸造成型技术难以制造复杂空心球三维排列结构、空心球分布不均匀、组织性能不易控制等不足。
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10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1，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1换为球铣刀10，步骤4在铣削平整的沉积层上按预设排列方式铣出与所用金属空心球尺寸一致的孔；
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10换为送球装置9，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，放入小球的沉积层中小球空间结构如图4所示；
步骤7，利用数控机床的刀库换刀，重复步骤3～6，加工完成的金属空心球复合材料示意图如图3所示；
步骤8，加工完成，冷却复合材料，清洗晾干。
结合图3和图4，可以观察到金属空心球复合材料中，小球在空间中规律排列，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性能控制，达到真正意义上结构和功能的一体化设计与制造。

Claims (3)

1.一种金属空心球复合材料增减材制造的方法，其特征在于，所述金属空心球复合材料由嵌入在基体中的按一定空间排列方式规则排布的空心球和金属基体构成，包括如下步骤：
首先将目标零件转化为数字模型文件，设计出打印路径后直接将金属粉体或丝状材料熔融沉积在基材上，按照计算机仿真模拟辅助设计的空心球空间排列方式，利用数控加工机床的铣削减材功能，在沉积层上准确加工尺寸与空心球直径吻合的、成一定排列方式的圆孔阵列，将尺寸均匀的金属空心球放入加工好的圆孔，再进行下一层激光粉末沉积或丝材沉积，重复圆孔铣削加工—空心球布放—沉积成形的工艺过程，即可制造出空心球三维空间排列的复合材料。
2.根据权利要求1所述的金属空心球复合材料增减材制造的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
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与所用金属空心球尺寸一致的孔；
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10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，利用数控机床的刀库换刀，重复步骤3～6；
步骤8，加工完成，冷却复合材料，清洗晾干。
3.根据权利要求1所述的金属空心球复合材料增减材制造的方法，其特征在于，所述空心球为预制金属或多层空心球，基体为熔点低于金属空心球的合金或金属基复合材料。
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