一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法技术

本发明专利技术公开了一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法，包括：获取自然结构的结构特征和微观截面特征，生成异质仿生构件三维模型；根据异质仿生构件的工况特征、功能需求和性能约束条件，选择异质仿生结构模型及异质金属材料；异质仿生结构由具有仿生结构的梯度结构和/或分层结构和/或互锁结构组成；对异质仿生构件三维模型进行有限元分析，生成分层轮廓数据和沉积工作路径；根据分层轮廓数据和沉积工作路径，通过送料装置实时混合和/或切换改变沉积金属材料，逐层进行定向能量沉积成形，制备具有仿生结构的异质仿生构件；本发明专利技术具有一体化、可定制、自由度高等特点，可有效控制异质金属之间的连接强度、成形特征、功能特性。能特性。能特性。

【技术实现步骤摘要】
一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法


[0001]本专利技术涉及增材制造
，具体而言，涉及一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法。

技术介绍

[0002]天然生物体经过数十亿年的生存竞争和自然选择，其外部构形、内在结构早已进化成近乎完美的系统功能体。通过研究生物系统的关键结构特征，为解决技术难题提供了新的思路，以满足现代工业日益增长的需求。生物体具有特殊材料的物质分布在最需要的功能区域，这是自然界适者生存、优胜劣汰的结果，也是最优的物质结构形式。将仿生结构应用于异质金属构件中，可以为构件带来更多优异的功能特性。
[0003]自然界中的结构通常有着异质材料分布、复杂几何形状和多功能集成优化等特性，从制造的角度来看，传统加工技术的能力不足以制造这些复杂的结构配置。增材制造技术不同于传统的去除成形、约束成形方法，其通过三维模型数据，采用材料逐层累加的方式实现结构的制备。这种独特的制造方法可实现复杂结构的自由“生长”成形，极大地提高了设计的自由度，为新型结构及材料的制备提供了强大的工具。增材制造为模拟自然结构的异质材料分布、复杂几何形状和多功能集成优化等特性提供了新的机遇，这些优势使得增材制造技术被广泛地应用于航空航天、医疗器械、轨道交通等各个领域。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是通过综合仿生结构设计和增材制造技术，提出了一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法，通过增材制造技术制备异质金属构件，使构件具有传热、吸能、缓冲等多功能性，同时，引入仿生结构进一步赋予构件优异的仿生功能特性，实现材料
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结构
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性能一体化增材制造。
[0005]为了实现上述技术目的，本申请提供了一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法，其特征在于，获取自然结构的结构特征和微观截面特征，生成异质仿生构件三维模型，异质仿生构件三维模型用于表征自然结构；基于异质仿生构件的工况特征、功能需求和性能约束条件，选择异质仿生结构模型及异质金属材料；对异质仿生构件三维模型进行有限元分析，包括切片分层处理，生成分层轮廓数据和沉积工作路径；根据分层轮廓数据和沉积工作路径，通过送料装置实时混合和/或切换改变沉积金属材料，逐层进行定向能量沉积成形，制备具有仿生结构的异质仿生构件。
[0006]优选地，工况特征包括高温、高压、强辐射、强腐蚀、大温差等服役环境；优选地，功能需求是传热、吸能、缓冲、防震、强韧等仿生功能特性；优选地，性能约束条件则是对功能特性的具体量化要求；在生成异质仿生构件三维模型的过程中，通过有限元分析对模型进行模拟、分析
和校验，生成满足约束条件的异质仿生构件三维模型，其中，若不满足约束条件时，则重新构建异质仿生构件三维模型。
[0007]优选地，异质仿生构件三维模型用于表征仿生结构，异质仿生结构由具有仿生结构的梯度结构和/或分层结构和/或互锁结构组成，梯度结构用于仿生梯度结构；分层结构用于仿生分层结构；互锁结构用于仿生互锁结构；优选地，异质仿生结构包括用于生成仿生梯度结构、仿生分层结构、仿生互锁结构的第一金属物质和第二金属物质；第一金属物质和第二金属物质不为同一种物质；第一金属物质和第二金属物质相互沉积，生成梯度结构和/或分层结构和/或互锁结构。
[0008]优选地，在制备异质仿生构件的定向能量沉积增材制造中，异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法用于制备生成具有不同用途的功能构件，包括航空航天用构件、齿轮构件、核电化工构件；其中，航空航天构件由钛合金粉末和镍基高温合金粉末组成，在氩气保护氛围下，生成具有仿生梯度结构构件；仿生梯度结构构件的分层处理的层厚度为0.7
‑
1.2mm；钛合金粉末的工艺参数为激光功率1500
‑
1800W，扫描速度500
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600mm/min，搭接率为40
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50%，送粉速率15
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26/min；镍基高温合金粉末的工艺参数为激光功率1500
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1800W,扫描速度600
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800mm/min,搭接率为40
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45%,送粉速率18
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20g/min。
[0009]齿轮构件由镍基高温合金粉末和稀土粉末组成，在氩气保护氛围下，生成具有仿生分层结构构件；仿生分层结构构件的分层处理的层厚度为0.7
‑
1.2mm；镍基高温合金粉末的工艺参数为激光功率1800
‑
2100W，扫描速度300
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400mm/min，搭接率为40
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50%，送粉速率6.7
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9.2g/min；稀土粉末的工艺参数为激光功率2000
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2700mm/min,搭接率为40
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45%,送粉速率3.2
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4.72g/min。
[0010]核电化工构件由不锈钢粉末和镍基高温合金粉末组成，在氩气保护氛围下，生成具有仿生互锁结构构件；核电化工构件的分层处理的层厚度为0.7
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1.2mm；不锈钢粉末的工艺参数为激光功率500
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800W，扫描速度300
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500mm/min，搭接率为40
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50%，送粉速率12.8
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15.8/min；镍基高温合金粉末的工艺参数为激光功率1500
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1800W,扫描速度600
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800mm/min,搭接率为40
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45%,送粉速率18
‑
20g/min。
[0011]与现有技术相比，本专利技术具有如下显著效果：1.针对均质材料制造的构件其性能已难以满足特定功能需求的问题，本专利技术根据自然结构的结构特征和微观截面特征建立了异质仿生结构模型。
[0012]2.该方法结合了异质仿生结构与增材制造技术，为高性能异种金属构件一体化成形提供一种新途径和新方法，具有一体化、可定制、自由度高等特点，有效控制异质金属之间的连接强度、成形特征、功能特性等。
附图说明
[0013]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0014]图1是本专利技术所述的一体化增材制造方法的流程图；图2是本专利技术所述的异质仿生梯度结构示意图；图3是本专利技术所述的异质仿生分层结构示意图；图4是本专利技术所述的异质仿生互锁结构示意图；图5是本专利技术所述的一体化增材制造过程示意图。
具体实施方式
[0015]下为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：获取自然结构的结构特征和微观截面特征，生成异质仿生构件三维模型，所述异质仿生构件三维模型用于表征所述自然结构；基于所述异质仿生构件的工况特征、功能需求和性能约束条件，选择异质仿生结构模型及异质金属材料；对所述异质仿生构件三维模型进行有限元分析，包括切片分层处理，生成分层轮廓数据和沉积工作路径；根据所述分层轮廓数据和沉积工作路径，通过送料装置实时混合和/或切换改变沉积金属材料，逐层进行定向能量沉积成形，制备具有仿生结构的异质仿生构件。2.根据权利要求1所述一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法，其特征在于：所述工况特征是高温、高压、强辐射、强腐蚀、大温差等服役环境；所述功能需求是传热、吸能、缓冲、防震、强韧等仿生功能特性中的任何一种；所述性能约束条件则是对功能特性的具体量化要求。3.根据权利要求1所述一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法，其特征在于：在生成异质仿生构件三维模型的过程中，通过有限元分析对模型进行模拟、分析和校验，生成满足约束条件的所述异质仿生构件三维模型，其中，若不满足约束条件时，则重新构建所述异质仿生构件三维模型。4.根据权利要求3所述一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法，其特征在于：所述异质仿生构件三维模型用于表征仿生结构，其中，异质仿生结构由具有仿生结构的梯度结构和/或分层结构和/或互锁结构组成，所述梯度结构用于仿生梯度结构；所述分层结构用于仿生分层结构；所述互锁结构用于仿生互锁结构。5.根据权利要求4所述一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法，其特征在于：所述异质仿生结构包括用于生成所述仿生梯度结构、所述仿生分层结构、所述仿生互锁结构的第一金属物质和第二金属物质；所述第一金属物质和所述第二金属物质不为同一种物质；所述第一金属物质和所述第二金属物质相互沉积，生成所述梯度结构和/或所述分层结构和/或所述互锁结构。6.根据权利要求5所述一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法，其特征在于：在制备异质仿生构件的定向能量沉积增材制造中，所述异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法用于制备生成具有不同用途的功能构件，包括航空航天用构件、齿轮构件、核电化工构件；其中，所述航空航天构件由钛合金粉末和镍基高温合金粉末组成，在氩气保护氛围下...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志辉，李星燃，康忠雄，刘高峰，陈志凯，蔡晶，余晨辉，姜鹏飞，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：