CN1597194A - 一种梯度材料及零件的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种梯度材料及零件的制备方法，其主要将三维模型进行分层处理；得到与各材料成分相应的一系列二维分层信息；接着将各分层信息转化成相应的数控加工程序，并传之数控工作台的控制系统；然后将各喷头中的材料加热至熔融状态，根据相应数控加工程序所确定的喷出位置和起止时间，各喷头将各熔融材料分别挤压成微滴状，并喷出到工作台上的指定位置，进行材料的微滴堆积；最后待一层堆积完成后，工作台下移一个层厚距离，在相应层的数控加工程序控制下，各喷头按上述方法完成该层材料的微滴堆积，就这样直至完成整个梯度材料及零件的成形。采用上述方法，可制得一种成形精度高且结合强度大的梯度材料及零件，且制成后无需后序处理，即可直接使用，因此设备简单，工序少，制造成本低，值得推广应用。

Description

一种梯度材料及零件的制备方法

技术领域

本发明涉及一种组分、结构和物理参数都呈连续变化或梯度变化的材料及零件的制备方法。

背景技术

为了满足某些情况下的特殊使用要求，人们设计出一种梯度材料及零件，即一种组分、结构和物理参数都呈梯度变化、功能逐渐变化的非均质材料及零件，由于成分和结构在每一处都有控制地连续改变，因而使其具有了优异的性能和重要的应用背景，而受到越来越多的关注和重视。近年来，人们已相继设计出多种梯度材料的制备方法，如气相沉积法、等离子喷涂溅射法、分子束外延法、离子注入法等气相法；电沉积法、氧化还原反应法、深射法、共晶反应法、溶液凝固法、离心浇注法等液相法；自蔓延高温合成法、热分解法、涂布法、粉末烧结法、部分结晶化法、扩散法等固相法。但是由于受制备工艺的限制，以上梯度材料的制备方法大多仅能用来制备成形薄膜、表面涂层或小块体梯度材料，难以制备大块体梯度材料及零件，因而影响了梯度材料的应用，为此人们又设计出一种新的制备梯度材料的方法，如中国发明专利申请号01131777.9的《一种梯度材料的激光快速制备成形方法》就披露了这样一种方案，其主要根据梯度材料的结构设计要求，调整不同材料粉末的体积比，并控制送粉器在各个二维平面的不同位置上向激光熔池送入相同或不同配比的粉末，然后，激光束按照计算机生成的扫描轨迹进行扫描，这样上述按一定配比的粉末在激光的照射下熔融后粘结在一起以形成所需的材料，由于该方法中对配对材料的类型没有限制，因此可制备多种材料任意复合的梯度材料，且力学性能和耐腐蚀性能均能大幅提高。但在使用过程中发现：①由于粉末材料本身具有流动性，因此当送粉器向激光熔池中送入粉末时，粉末的铺设位置难以准确定位，结果使制得的梯度材料精度较低。②受激光器热量的限制，梯度材料并不是依赖于材料粉末的粘结，而是依靠材料粉末表面涂覆层的粘结作用成形的，因此制得的梯度材料结合强度差，无法达到直接使用要求。⑨为了提高梯度材料的强度，需要采用昂贵的配套设施作进一步处理，如焙烧、渗金属等，但这样的处理显然使得投资增大、工艺复杂因而影响其推广应用。④经过上述后序处理的梯度材料将进一步影响其精度，尤其是采用该方法直接制得的梯度材料零件，容易导致其内部结构稀疏，变形严重而影响使用。因此上述制备方法在实际应用中仍有不尽人意之处，需有待于进一步的改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的缺陷，提供一种制造成本低、成形精度高且结合强度大的梯度材料零件的制备方法。

本发明所要解决的另一个技术问题是针对现有技术的缺陷，提供一种制造成本低、成形精度高且结合强度大的梯度材料的制备方法。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：

①在计算机中生成零件的三维实体模型；

②根据该零件的使用要求，进行零件的梯度结构设计；

③根据加工精度和零件的梯度结构设计要求，将上述三维模型进行分层处理后，使零件的三维数据信息转换成一系列的二维平面数据；

④将各二维平面数据按各材料成分进行信息分离，分别得到与各材料成分相应的一系列二维分层信息；

⑤将上述与各材料相应的分层信息转化成相应的数控加工程序，并传之数控工作台的控制系统；

⑥将分别位于各自喷头中的各材料加热至熔融状态，根据上述相应数控加工程序所确定的喷出位置和起止时间，各喷头将各熔融材料分别挤压成微滴状，并将其喷出到工作台上的指定位置，进行材料的微滴堆积；

⑦待一层堆积完成后，在上述控制系统的控制下，工作台下移一个层厚距离，在相应层的数控加工程序的控制下，各喷头再将各熔融材料挤压成微滴状，并根据该层的数控加工程序所确定的喷出位置和起止时间，将微滴喷出到上述已成形表面上，完成该层材料零件的微滴堆积，就这样直至完成整个梯度材料零件的成形。

本发明解决上述另一个技术问题所采用的技术方案为：

①对梯度材料的三维模型进行分层切片处理，将材料的三维数据信息转换成一系列的二维平面数据；

②将各二维平面数据按各材料成分进行信息分离，分别得到与各材料成分相应的一系列二维分层信息；

③将上述与各材料相应的分层信息转化成相应的数控加工程序，并传之数控工作台的控制系统；

④将分别位于各自喷头中的各材料加热至熔融状态，根据上述相应数控加工程序所确定的喷出位置和起止时间，各喷头将各熔融材料分别挤压成微滴状，并将其喷出到工作台上的指定位置，进行材料的微滴堆积；

⑤待一层堆积完成后，在上述控制系统的控制下，工作台下移一个层厚距离，在相应层的数控加工程序的控制下，各喷头再将各熔融材料挤压成微滴状，根据该层的数控加工程序所确定的喷出位置和起止时间，将微滴喷出到上述已成形的表面上，完成该层材料的微滴堆积，就这样直至完成整个梯度材料的成形。

与现有技术相比，本发明的优点在于：①将熔融状态下的材料挤压成微滴，使材料从熔融状态至固态的收缩转化成微滴中的收缩，其收缩过程是在微滴从喷头中挤出至达到已加工零件表面的过程中完成。因此，加工后的梯度材料及零件变形小，成形精度高。②微滴堆积到已成形部分时，没有完全凝固，但与已成形表面接触时，已处于半固液态或熔融状态，与已成形表面接触后迅速凝固，结合成致密的材料或零件，因此本发明制得的梯度材料的结合力强，而制得的零件强度高，使用性能好。③制得的梯度材料和零件无需后序处理，即可直接使用，因此设备简单，工序少，制造成本低，使得梯度材料及零件更具市场竞争力，因此本发明值得推广应用。

附图说明

图1为本发明所采用的加工装置示意图；

图2为本发明梯度材料零件制备示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：为工程塑料(ABS)/聚氯乙烯(PVC)梯度材料零件的制备。

其中ABS(Acrylonitrile-Butadene-Styrene)是一种性能优良的工程塑料，具有优良的电性能、化学稳定性和抗冲击性，已成为电器元件、家电、计算机和仪器仪表首选的塑料材料之一。但由于ABS的氧指数低，在空气中容易燃烧，燃烧时产生大量的浓烟和有毒气体，致使其应用受到限制。而聚氯乙烯(PVC)不易燃烧，续燃性差，可以作为ABS的阻燃剂使用。因此将ABS与PVC做成梯度材料零件，可改善了ABS的阻燃性，使其可应用于建筑、汽车工业、电子电器工业和医疗等设备上。

制备上述工程塑料(ABS)4和聚氯乙烯(PVC)5梯度材料零件时，所采用的加工装置如图1所示，其包括在总控制系统控制下可上、下运动的工作台1和位于工作台1上方的喷头装置3，该喷头装置由三个内设加热管的喷头构成，其中第一喷头3a和第二喷头3b为成形材料喷头，即分别为ABS喷头、PVC喷头，第三喷头3c为按工艺所需的支撑材料喷头，在这里，支撑材料6也选用ABS；为了将ABS的挤出温度控制在270℃左右，PVC的挤出温度控制在180℃左右，各喷头配置有相应的温度控制系统，同时各喷头又分别与各自的送料系统相连，以便为各喷头连续提供所需的丝状材料；且各喷头还受各自的喷头驱动单元的控制，使其内的熔化材料受压后喷出，各喷头驱动单元又同时受喷头控制系统的控制，使各喷头驱动单元按需动作，而喷头控制系统和上述温度控制系统及送料系统则都在总控制系统的控制下协调工作。其具体实施步骤如下：

①在计算机中生成ABS/PVC梯度材料零件的三维CAD实体模型；

②进行零件的梯度结构设计；

③根据加工精度和梯度结构设计的要求，将零件CAD模型按一定的厚度分层，将零件的三维信息转换成一系列的二维平面数据，其中，CAD模型的分层厚度与喷头的直径相匹配；

④将各二维平面数据按ABS和PVC成分进行信息分离，分别得到ABS和PVC的二维分层信息；

⑤将ABS和PVC的分层信息转化成相应的数控加工程序，并传至数控工作台的总控制系统；

⑥将分别位于各自喷头中的ABS和PVC加热至熔融状态，根据上述相应数控加工程序所确定的喷出位置和起止时间，各喷头将各熔融材料分别挤压成微滴状，并分别把ABS和PVC的微滴喷出到工作台上的指定位置，进行材料的微滴堆积，如图2所示；

⑦待一层堆积完成后，在上述总控制系统的控制下，工作台下移一个层厚距离，在相应层的数控加工程序的控制下，各喷头再将各熔融的ABS、PVC材料挤压成微滴状，根据该层的数控加工程序所确定的喷出位置和起止时间，将微滴喷出到上述已成形表面上，完成该层材料零件的微滴堆积，就这样直至完成整个ABS/PVC零件的成形。

⑧去除支撑材料，得到所需要的梯度材料零件。

实施例2为聚丙烯(PP)/乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)孔梯度材料零件的制备。

该零件可用于渗透过滤、催化分离等场合，制备时所采用的加工装置与图1不同之处在于三个喷头分别为PP喷头、EVA喷头和支撑材料喷头，其中支撑材料选择水溶性材料，即可以采用水溶性聚氨酯、水溶性聚乙烯醇、水溶性酚醛树脂、水溶性丙烯酸树脂、水溶性聚醚树脂、水溶性环氧树脂等材料，PP喷头的喷出温度控制在170℃，EVA喷头的喷出温度控制在185℃，而成形室温度设置为70℃，其具体实施步骤如下：

①在计算机中生成梯度材料零件的三维CAD实体模型；

②进行梯度零件的梯度结构设计，同时，对零件内部孔进行设计，为了制备后易于去除形成孔的水溶性材料，孔与孔之间、孔与零件表面应相互连通；

③根据加工精度和梯度结构设计的要求将模型按一定的厚度分层，将零件的三维信息转换成一系列的二维平面数据；

④将各二维平面数据按各材料成分进行信息分离，得到与各材料成分相应的一系列二维分层信息；

⑤将上述与各材料相应的分层信息转化成相应的数控加工程序，并传至数控工作台的总控制系统；

⑥将分别位于各自喷头中的成形材料与形成孔的水溶性材料加热至熔融状态，根据上述相应数控加工程序所确定的喷出位置和起止时间，各喷头在各自的喷头驱动单元的作用下，将各熔融材料分别挤压成微滴状，并分别把其挤出到工作台上的指定位置，进行材料的微滴堆积，如图2所示；

⑦待一层堆积完成后，在上述总控制系统的控制下，工作台下移一个层厚距离，在相应层的数控加工程序的控制下，各喷头再将各熔融材料挤压成微滴状，根据该层的数控加工程序所确定的喷出位置和起止时间，将微滴挤出到上述已成形表面上，完成该层材料零件的微滴堆积，就这样，直至将所有各层全部加工完成。

⑧将零件从工作台上取下，放入水中，待水溶性材料全部溶解后，将工件取出，即得到内部带有孔洞的梯度材料零件。

同时用该方法也可制备只由一种材料组成且内部分布着异形孔的零件，如骨骼等人体组织器官，由于按常规加工方法难以实现，而采用该方法即可制得任意形状孔的零件。

实施例3：为锡/铅梯度材料零件的制备。

制备时所采用的加工装置如图1所示。三个喷头分别为锡喷头、铅喷头和支撑材料喷头，其中锡喷头的喷出温度为240℃，铅喷头的喷出温度为330℃，其具体实施步骤如下：

①在计算机中生成锡/铅梯度材料零件的三维CAD实体模型；

②根据零件的使用要求，进行梯度零件的梯度结构设计；

③根据加工精度和梯度结构设计的要求，将零件CAD模型按一定的厚度分层，将零件的三维信息转换成一系列的二维平面数据；

④将各二维平面数据按照锡、铅材料成分进行信息分离，分别得到锡和铅的二维分层信息；

⑤将锡、铅的分层信息分别转化成相应的数控加工程序，并传送至数控工作台的总控制系统；

⑥将送至各自喷头中的锡、铅通过电加热方式加热到熔化状态，根据上述相应数控加工程序所确定的喷出位置和起止时间，各喷头在相应喷头驱动单元的作用下，将各成形材料分别挤压成微滴状，如图2所示，再分别把锡、铅微滴喷出到工作台上的指定位置，进行材料的微滴堆积；

⑦待一层堆积完成后，在上述总控制系统的控制下，工作台下移一个层厚距离，在相应层的数控加工程序的控制下，各喷头再将锡、铅材料挤压成微滴状，并根据该层的数控加工程序所确定的喷出位置和起止时间，将微滴喷出到上述已成形表面上，完成该层材料零件的微滴堆积，就这样直至完成整个锡/铅梯度材料零件的成形。

在上述实施例中，也可以用相应的材料直接制得梯度材料，然后再在相应的加工设备上加工成所需的零件，以满足那些结构较为简单、但加工精度要求较高的梯度零件，其梯度材料的制备方法与上述各实施例所采用的步骤相同，在这里不再累述。

在上述制备梯度材料及零件的过程中，总控制系统可以控制工作台的移动或控制各喷头的动作，使喷头到达指定位置进行微滴堆积，且在操作过程中，微滴可以相互连接而呈连续状，也可以是相互分离而呈断续状，喷头的个数也不局限于三个，可以按材料的种类相应增加，即可以在零件的任意部位实现任意的材料和性能，不同材料之间可以形成任意复杂的形状和梯度，最终以满足梯度材料及零件的特殊使用要求。

Claims (3)

1、一种梯度材料零件的制备方法，其特征在于：

①在计算机中生成零件的三维实体模型；

②根据该零件的使用要求，进行零件的梯度结构设计；

③根据加工精度和零件的梯度结构设计要求，将上述三维模型进行分层处理后，使零件的三维数据信息转换成一系列的二维平面数据；

④将各二维平面数据按各材料成分进行信息分离，分别得到与各材料成分相应的一系列二维分层信息；

⑤将上述与各材料相应的分层信息转化成相应的数控加工程序，并传之数控工作台的控制系统；

⑥将分别位于各自喷头中的各材料加热至熔融状态，根据上述相应数控加工程序所确定的喷出位置和起止时间，各喷头将各熔融材料分别挤压成微滴状，并将其喷出到工作台上的指定位置，进行材料的微滴堆积；

⑦待一层堆积完成后，在上述控制系统的控制下，工作台下移一个层厚距离，在相应层的数控加工程序的控制下，各喷头再将各熔融材料挤压成微滴状，并根据该层的数控加工程序所确定的喷出位置和起止时间，将微滴喷出到上述已成形表面上，完成该层材料零件的微滴堆积，就这样直至完成整个梯度材料零件的成形。

2、根据权利要求1所述的梯度材料的制备方法，其特征在于所述零件的梯度结构设计为：

①设定零件的使用条件；

②选择可供合成的材料组成和制造技术；

③选择表示变化的分布函数；

④进行温度和热应力的解析计算，得到热应力最小的组成和结构的梯度分布。

3、一种梯度材料的制备方法，其特征在于：

①对梯度材料的三维模型进行分层切片处理，将材料的三维数据信息转换成一系列的二维平面数据；

②将各二维平面数据按各材料成分进行信息分离，分别得到与各材料成分相应的一系列二维分层信息；

③将上述与各材料相应的分层信息转化成相应的数控加工程序，并传之数控工作台的控制系统；

④将分别位于各自喷头中的各材料加热至熔融状态，根据上述相应数控加工程序所确定的喷出位置和起止时间，各喷头将各熔融材料分别挤压成微滴状，并将其喷出到工作台上的指定位置，进行材料的微滴堆积；

⑤待一层堆积完成后，在上述控制系统的控制下，工作台下移一个层厚距离，在相应层的数控加工程序的控制下，各喷头再将各熔融材料挤压成微滴状，根据该层的数控加工程序所确定的喷出位置和起止时间，将微滴喷出到上述已成形的表面上，完成该层材料的微滴堆积，就这样直至完成整个梯度材料的成形。