一种非均质实体的制造方法及设备技术

本发明专利技术提供一种非均质实体的制造方法及设备，其制造方法及步骤如下：1.首先对成形实体按设计厚度切片分层，得到实体每一层二维层片信息；2.在应用程序控制下，混合挤压成形头根据所述信息要求对供料腔中各种不同材料组分料浆按配比混合，得到制造料浆；3.在CAD软件的控制下，混合挤压成形头完成实体的第一层片制造，使二维层片内材料组分沿指定方向呈梯度连续变化；4.混合挤压成形头移动成形实体一个层片的高度，完成实体第二层片成形制造；5.重复上述方法，逐层进行，直至制得所述非均质实体。本发明专利技术制造设备适用于本发明专利技术所述制造方法，包括三维运动控制平台、多组分材料混合挤压成形头、供气及气压控制装置和控制系统。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于先进制造技术，具体为一种非均质实体的制造方法及设备。
技术介绍
随着科学技术的发展，对各类零件的性能从各方面提出了更高的要求，通常单一 (均质)材料的零件无法满足各类近乎苛刻的使用条件。日本科学技术厅航空宇航研究所于1987年提出了功能梯度材料(Functionally Graded Materials, FGMs)的概念，即多种材料的组分或结构连续过渡，可同时具备几种不同材料的优良性能。而传统的材料制备方法只能形成梯度分布方向单一、结构简单的实体。快速成形(Rapid Prototyping)技术的出现，实现了制造科学上制造理论的突破，根本有别于传统的制造方法，比如去除成形、受迫成形，而是基于离散/堆积原理，将三维CAD模型沿一定方向一定厚度离散分解成不连续的层片，得到一系列层片数据。根据各种工艺各自的工艺要求，通过合理的工艺规划，生成控制成形的运动轨迹。在堆积过程中，成形工具在运动轨迹的控制下，加工出层片，并将新生成的层片与已生成部分堆积、连接，层片生成与堆积连接过程循环往复，直至整个构件加工完成。此技术有望实现非均质(包括不同材料组分的渐变和突变)实体的制造。为了用快速成形技术制造出成形材料或结构沿一定方向梯度变化的非均质实体，J印son等人撰写的《激光选择烧结制造功能梯度材料》(L. Jepson, J. J. Beaman, D. L. Boure 11, and K.L.Wood, ‘ SLS Processing of Functional Iy Gradient Materials,，pp. 67-79, in the Proceedings of the 8th Annual SFF Symposium, Edited by D. L. Bourel 1, The University of Texas, Austin, 1997.)介绍了一种多材料选择性烧结技术(M2SLS),该技术存在梯度过渡不连续的问题；Fessler等人的《形状沉积法制造金属功能梯度材料》(J. Fessler, A. Nickel, G. Link, and F. Prinz, ‘Functionally Gradient Metallic Prototypes through Shape Deposition Manufacturing,，pp. 521-8 in the Proceedings of the 8th Annual SFF Symposium,Edited by D. L. Bourel1. The University of Texas, Austin, 1997.)文件介绍了的形状沉积制造方法(Shape Deposition Manufacturing)，和Morvan等人撰写的《通过透镜制造非均质调速论》(S. Morvan, G. M. Fadel, J.Love, and D. Keicher, 'Manufacturing of Heterogeneous Flywheel on a LENS Apparatus,，pp. 553-60 in the Proceedings of the 12th Annual SFF Symposium Edited by D. L. Bourel 1. The University of Texas, Austin, 2001.)介绍了激光工程净成形(Laser Engineered Net Shaping)等技术。该技术虽然可实现一种材料到另一种材料的连续过渡，但精度较低，距离实际要求有很大差距。申请号为200810053855. 5的中国专利介绍了一种非均质功能构件的制造方法与装置。该方法采用打印机微喷堆积与激光扫描烧结相结合的方法，首先对非均质功能构件三维CAD模型分层得到层片数据，利用材料组分分离技术和数字半色调技术，得到层片内不同材料组分的二值化图像，通过计算机控制系统识别并读取该二值化图像信息，用读取的二值化图像信息控制打印喷头喷出一种或一种以上组分材料的打印墨水，同时用激光头4对喷出的墨水进行同步扫描烧结，使墨水反应固化，逐层进行，最终制造出非均质功能构件。虽然用该方法与装置能够实现非均质功能构件的制造，但由于该方法所采用的“墨水” 是预先配好并分装在不同的打印墨盒内，在打印时以按需喷射方式“打印”在指定的位置， 因此“墨水”的变化在宏观上可以呈现出一定的连续性，但从微观上看，各种“墨水”尚处于离散式分布，各组分材料之间仍存在明显的微界面。另外，就现有技术来讲，实现对非均质功能构件的建模与分层、使模型和层片数据中都含有材料信息这一技术还不够成熟，实现过程比较复杂。Jonathan Powell等人撰写的《用多层陶瓷微管共挤压制作固体氧化物燃料电池》 (Jonathan Powell and Stuart Blackburn, 'Co-extrusion of Multilayered Ceramic Micro-Tubes for Use as Solid Oxide Fuel Cells,，pp.2859-2870 in the Journal of the European Ceramic Society 30(2010).)介绍了用多种组分材料共挤压制造管状固体氧化物燃料电池，通过这种方法将电解质层制作成材料呈梯度变化的多层结构，减小了材料内部力学性能和热力学参数不匹配带来的问题。该方法用挤压成形的方法在一定程度上实现了非均质实体的制造，有效地解决了燃料电池的阳极层和电介质层结合性差的问题。 该技术虽然能实现材料的梯度变化，但只能制造材料梯度变化不明显的结构，并且成形的梯度变化的层数受到限制，灵活性很差，精度低。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种非均质实体的制造方法及设备。该方法及设备无需通过对非均质实体建模来使模型中含有材料信息，而是通过软件方式来实现实体中材料信息的添加，且材料信息添加方式灵活；该方法及设备制造的非均质实体，宏观上，材料呈明显的梯度变化；微观上，减少了各组分材料之间的微界面， 可制造出高精度的非均质实体。本专利技术解决所述制造方法技术问题的技术方案是，设计一种非均质实体的制造方法，该方法基于浆料的微流挤压与多组分材料按比例实时混合相结合的方法，采用如下步骤(1)首先由三维CAD软件设计出不含任何材料信息的实体模型，然后根据成形实体的工艺要求，将实体模型按设计厚度切片分层，得到实体模型每一层的二维层片信息；(2)材料信息添加软件根据二维层片内填充轮廓对材料组分的要求，控制多组分材料混合挤压成形头完成不同材料组分料浆的按比例混合，得到符合填充轮廓要求的材料组分的料浆；在常规运动控制软件的控制下，多组分材料混合挤压成形头沿X轴和Y轴方向运行，完成实体二维层片内一条填充轮廓的挤压成形；然后，根据该二维层片内下一条填充轮廓对材料组分的要求控制多组分材料混合挤压成形头按比例混合各种不同材料组分的料浆，得到该填充轮廓所需材料组分的料浆；依上所述连续按比例混合不同材料组分料浆， 然后挤压成形，直至完成该二维层片的挤压成形；使二维层片内填充轮廓的材料组分沿设计方本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种非均质实体的制造方法，该方法基于浆料的微流挤压与多组分材料按比例的实时混合，采用如下步骤：（１）首先由三维ＣＡＤ软件设计出不含任何材料信息的实体模型，然后根据成形实体的工艺要求，将实体模型按设计厚度切片分层，得到实体模型每一层的二维层片信息；（２）材料信息添加软件根据二维层片内填充轮廓对材料组分的要求，控制多组分材料混合挤压成形头完成不同材料组分料浆的按配比混合，得到符合填充轮廓要求的材料组分的料浆；在常规运动控制软件的控制下，多组分材料混合挤压成形头沿Ｘ轴和Ｙ轴方向运行，完成实体二维层片内一条填充轮廓的挤压成形；然后，根据该二维层片内下一条填充轮廓对材料组分的要求控制多组分材料混合挤压成形头按比例混合各种不同材料组分的料浆，得到该填充轮廓所需材料组分的料浆；依上所述连续按配比混合不同材料组分料浆，然后挤压成形，直至完成该二维层片的挤压成形；使二维层片内填充轮廓的材料组分沿设计方向呈梯度连续变化；所述多组分材料混合挤压成形头主要包括不同材料组分料浆配比系统和静态混合系统；（３）在计算机的控制下，使多组分材料混合挤压成形头沿Ｚ轴方向运动，向上移动一个实体层片的高度，采用与第（２）步一样的方法完成实体第二层片的挤压成形，同时使第一层片与第二层片粘结成一个整体；（４）重复第（２）和（３）步方法，依次按照所述实体每一层的二维层片信息逐层进行制造，并依次粘结成一个整体，直至制得所述的非均质实体。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐安平，蔡晓刚，朱东彬，刘志华，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：12