一种轻量化刚柔耦合异质结构的增材制造方法技术

本发明专利技术提供了一种轻量化刚柔耦合异质结构的增材制造方法，它包括如下步骤：(一)根据异质结构设计以及材料的相溶性和软硬差别特征，选择增材制造所用的软质材料的原材料和硬质材料的原材料；(二)根据所要增材制造成型的两种异质材料，选择基板材料，然后对所用的基板进行尺寸切割、表面打磨及清洁处理；(三)在基板上分区域增材制造硬质材料和软质材料的结构单元体；(四)用线切割或者机械加工将上述增材制造的具有结构间隙的栅状异质结构从基板上整体取下。该增材制造方法制备过程简单，原材料成本低，制备得到的异质结构具有轻量化、良好的韧性和抗冲击等性能，实现了材料

【技术实现步骤摘要】
一种轻量化刚柔耦合异质结构的增材制造方法


[0001]本专利技术涉及的是一种轻量化刚柔耦合异质结构的增材制造方法，属于异质结构增材制造


技术介绍

[0002]在自然界中，生物为了适应环境，经过亿万年的进化，产生的结构可以同时满足多种组合功能。人类从自然界的生物中研究发现，一大部分的生物材料和结构内部都由软
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硬结构构成，如贝壳珍珠层、鱼类鳞片等呈现的软硬相间刚柔耦合结构，使得其具有轻质高强、高韧和抗冲击等优良性能；植物叶片和昆虫翅膀的软质膜和硬质脉等也呈现出刚柔耦合特征，同样具有轻质高强和优良的止裂及抗疲劳功能。近年来，随着科学技术和众多工程领域的发展，以往的单一性材料难以满足不同领域的需求，往往需要材料或结构同时具备高强、高韧、抗疲劳、抗冲击等性能。在生物材料及结构的作用机理的启发下，基于仿生原理，制备同时具备两种材料优点的异质结构，在航空航天、核工业、石油化工、汽车等行业中具有重要的工程意义和广泛的应用前景。传统的异质结构的制造多采用焊接法，但是焊接方法制造异质结构存在一定的加工尺寸及形状等限制。因此，基于仿生结构设计，开发刚柔耦合异质结构的增材制造方法，将为工业领域高性能结构和装备的设计制造提供技术方法，具有重要的实用价值。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的技术问题，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种轻量化刚柔耦合异质结构的增材制造方法，该增材制造方法制备过程简单，原材料成本低，制备得到的异质结构具有轻量化、良好的韧性和抗冲击等性能，实现了材料/>‑
结构
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性能一体化设计和制造成型，提高了生产效率。
[0004]本方案是通过如下技术措施来实现的：一种轻量化刚柔耦合异质结构的增材制造方法，它包括如下步骤：
[0005](一)根据异质结构设计以及材料的相溶性和软硬差别特征，选择增材制造所用的软质材料的原材料和硬质材料的原材料；
[0006](二)根据所要增材制造成型的两种异质材料，选择基板材料，然后对所用的基板进行尺寸切割、表面打磨及清洁处理；
[0007](三)在基板上按照如下步骤分区域增材制造硬质材料和软质材料的结构单元体，且纵向区域皆为硬质材料，横向区域皆为软质材料：
[0008](1)按照设计顺序，依次在区域a、区域b和区域c分别增材制造硬质材料；
[0009](2)按照设计顺序，依次在区域d、区域e和区域f和区域g分别增材制造硬质材料；
[0010](3)按照设计顺序，依次在区域h、区域i、区域j、区域k、区域l和区域m分别增材制造软质材料；
[0011](4)按照设计顺序，依次在区域n、区域o、区域p、区域q、区域r、区域s、区域t和区域
u分别增材制造软质材料；
[0012](四)用线切割或者机械加工将上述增材制造的具有结构间隙的栅状异质结构从基板上整体取下。
[0013]优选的，所述步骤(三)中硬质材料和软质材料的结构单元体按照成型路径进行增材制造，增材制造成型路径可以采用单道沉积、双道沉积或多道沉积。
[0014]优选的，当所述软质材料和硬质材料为异质金属时，采用激光沉积增材制造，并采用保护气体对增材制造部位进行保护；当所述软质材料和硬质材料为异质热塑性塑料时，采用熔融沉积增材制造。
[0015]优选的，所述激光沉积增材制造时采用激光沉积增材制造设备，所述激光沉积增材制造设备包括激光器和激光沉积头，所述激光沉积头的外侧沿其周向均匀设置有六个与其内腔相通的送粉管，其中，间隔设置的三个送粉管输送软质材料的原材料粉末，间隔设置的另外三个送粉管输送硬质材料的原材料粉末。
[0016]优选的，所述硬质材料为马氏体钢，所述硬质材料的原材料为马氏体钢粉末，所述软质材料为奥氏体钢，所述软质材料的原材料为奥氏体钢粉末，所述马氏体钢粉末和奥氏体钢粉末的粒度大小为40
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100μm。
[0017]优选的，所述激光器采用YAG固体激光器或IPG光纤激光器，所述激光器的激光功率为400
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5000W，所述激光器的聚焦光斑直径为0.5
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3mm、扫描速度为4
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30mm/s，所述保护气体为氩气，所述保护气体的浓度为99.99％，所述保护气体的流量为10
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20L/min，所述奥氏体钢和马氏体钢的原材料粉末的送粉量为5
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50g/min，所述异质材料间的搭接率为3
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7％。
[0018]优选的，所述硬质材料为ABS热塑性塑料，所述硬质材料的原材料为ABS热塑性塑料丝材，所述软质材料为TPU热塑性塑料，所述软质材料的原材料为TPU热塑性塑料丝材。
[0019]优选的，所述熔融沉积增材制造时采用熔融沉积增材制造设备，所述熔融沉积增材制造设备包括熔丝喷头，所述熔丝喷头上设置有两个并排布置的熔丝喷嘴，两个熔丝喷嘴分别输送融化后的ABS热塑性塑料丝材和TPU热塑性塑料丝材。
[0020]优选的，所述ABS热塑性塑料丝材的直径和TPU热塑性塑料丝材的直径分别为1.75mm，所述熔丝喷头增材制造时的温度为180
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270℃，打印速度为20
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60mm/s，所述异质材料间的搭接率为3
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7％。
[0021]优选的，当所述软质材料和硬质材料为异质金属时，在激光沉积增材制造设备的数控系统中输入CAD模型，利用路径规划软件对轮廓数据进行扫描路径处理，确定增材制造位置，获取位置参数，最后将数据导入激光沉积增材制造设备中，在保护气氛围下，按照步骤(三)中的顺序，分区域增材制造马氏体钢和奥氏体钢的结构单元体；
[0022]当所述软质材料和硬质材料为异质热塑性塑料时，在熔融沉积增材制造设备的数控系统中输入CAD软件建构的模型图，增材制造设备的熔丝喷头会在电脑的控制下，根据模型图截面轮廓和填充轨迹运动，ABS热塑性塑料丝材和TPU热塑性塑料丝材在熔丝喷头内被加热融化，流动状态的材料被熔丝喷嘴输送到指定位置，按照步骤(三)中的顺序，分区域增材制造ABS热塑性塑料和TPU热塑性塑料的结构单元体。
[0023]本专利技术的有益效果：该轻量化刚柔耦合异质结构的增材制造方法通过采用增材制造工艺，能够实现具有一定结构间隙的栅状轻量化异质结构的快速成型制造。采用本专利技术中的增材制造方法，可以制造基于贝壳珍珠层、植物叶片和昆虫翅膀的软质膜和硬质脉等
生物界的刚柔耦合特征的仿生异质结构，同时该异质结构之间有一定间隙，实现结构的轻量化。采用本专利技术提供的增材制造方法制造的异质结构具有轻量化、刚柔耦合特征，具有抗疲劳、抗冲击等优良力学特性。本专利技术提供的增材制造方法通过将两种异质材料交替增材制造成型，可实现异质结构的一体化成型，具有很高的生产效率及材料利用率，制造过程简单易操作，生产成本较低。由此可见，本专利技术与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种轻量化刚柔耦合异质结构的增材制造方法，其特征是：它包括如下步骤：(一)根据异质结构设计以及材料的相溶性和软硬差别特征，选择增材制造所用的软质材料的原材料和硬质材料的原材料；(二)根据所要增材制造成型的两种异质材料，选择基板材料，然后对所用的基板进行尺寸切割、表面打磨及清洁处理；(三)在基板上按照如下步骤分区域增材制造硬质材料和软质材料的结构单元体，且纵向区域皆为硬质材料，横向区域皆为软质材料：(1)按照设计顺序，依次在区域a、区域b和区域c分别增材制造硬质材料；(2)按照设计顺序，依次在区域d、区域e和区域f和区域g分别增材制造硬质材料；(3)按照设计顺序，依次在区域h、区域i、区域j、区域k、区域l和区域m分别增材制造软质材料；(4)按照设计顺序，依次在区域n、区域o、区域p、区域q、区域r、区域s、区域t和区域u分别增材制造软质材料；(四)用线切割或者机械加工将上述增材制造的具有结构间隙的栅状异质结构从基板上整体取下。2.根据权利要求1所述的轻量化刚柔耦合异质结构的增材制造方法，其特征是：所述步骤(三)中硬质材料和软质材料的结构单元体按照成型路径进行增材制造，增材制造成型路径可以采用单道沉积、双道沉积或多道沉积。3.根据权利要求2所述的轻量化刚柔耦合异质结构的增材制造方法，其特征是：当所述软质材料和硬质材料为异质金属时，采用激光沉积增材制造，并采用保护气体对增材制造部位进行保护；当所述软质材料和硬质材料为异质热塑性塑料时，采用熔融沉积增材制造。4.根据权利要求3所述的轻量化刚柔耦合异质结构的增材制造方法，其特征是：所述激光沉积增材制造时采用激光沉积增材制造设备，所述激光沉积增材制造设备包括激光器和激光沉积头，所述激光沉积头的外侧沿其周向均匀设置有六个与其内腔相通的送粉管，其中，间隔设置的三个送粉管输送软质材料的原材料粉末，间隔设置的另外三个送粉管输送硬质材料的原材料粉末。5.根据权利要求4所述的轻量化刚柔耦合异质结构的增材制造方法，其特征是：所述硬质材料为马氏体钢，所述硬质材料的原材料为马氏体钢粉末，所述软质材料为奥氏体钢，所述软质材料的原材料为奥氏体钢粉末，所述马氏体钢粉末和奥氏体钢粉末的粒度大小为40
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100μm。6.根据权利要求5所述的轻量化刚柔耦合异质结构的增材制造方法，其特征是：所述激光器采用YAG固体激光器或IPG光纤激光器，所述激光器的激光功率为400

【专利技术属性】
技术研发人员：张新戈，张丹丹，王文权，杜明，张志辉，吴大振，樊慧璋，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：