[发明专利]一种非均质实体的制造方法和设备

说明书

技术领域

本发明属于先进制造技术，具体为一种非均质实体的制造方法和设备。该制造方法和设备的特点是基于多个螺杆挤出，且挤出速率实时变化。

背景技术

构件中材料成分和性能的突然变化会导致明显的应力集中，如果实体的制造过程中是采用一种材料到另一种材料的逐步过渡，会使应力集中大大减小。为了减少材料的应力集中和提高材料的性能，日本，美国和德国等许多国家都开展了这种新型的功能梯度材料（functionally graded materials）,简称FGMs。这种新型材料已扩展到能源，航天航空，生物医学工程等许多领域。这种材料是一种集多种组分于一体的新型材料，含有的组分中可以包括金属，尼龙，树脂等。功能梯度材料作为一个规范化的正式概念是1984年日本科学技术厅宇航实验室提出的。1995年德国发起了一项国家协调计划，主要研究功能性梯度材料的制备。目前这种材料已经成为结构材料和功能材料领域的重要课题之一。功能梯度材料具有的主要特点是：材料组分和结构程连续的梯度变化，材料的内部没有明显的界面，材料的各种性质也呈现连续的梯度变化。

非均质功能材料的制备方法有许多，如化学气相沉积法，等离子喷涂法，粉末冶金法，激光熔覆法等等。

化学气相沉积法将两种气相物质在反应器中均匀混合，在一定条件下发生化学反应，使生成的固相物质沉积在基板上。在此过程中可以通过调整合成温度，调节气流流量等方法控制材料各种组分的比例。但该工艺局限于两种物质的相态以及化学反应等条件。

等离子喷涂法采用同时熔化难熔相和金属，控制两种粉末的相对供给速率得到功能材料中的组分变化。例如在基板上喷涂单层的NiCr合金粉末，然后逐步过渡到100%的ZrO₂粉末喷涂。此技术已经用于喷气式飞机发动机和相关材料的改性中，这种梯度涂层能够明显提高材料的隔热性和耐热疲劳。

申请号为200810053855.5的中国专利介绍了一种功能性非均质构件的制造方法和设备。具体方法为，首先配制出设计要求的金属盐溶液作为打印墨水，浓度控制在其饱和度以下，并注入打印机墨盒中；然后把打印喷头与激光头组合在一起，在计算机控制下，打印喷头喷出打印墨水后，激光头对打印喷头进行同位扫描，实现当前层面上打印墨水反应固化；逐层喷墨打印，逐层反应固化，直至完成。该方法的局限性在于墨水中能够含有的干物质必须很低以保证不会出现喷头堵塞的现象，因此，激光烧结后层叠的变形会较大，不仅如此每层液态物质蒸出后的有效高度将会大大降低，制造实体过程中分层较大。

申请号为201110269706.4的中国专利也介绍了一种非均质实体的制造方法及设备。具体方法为，首先对实体进行几何分层，然后通过混合挤压成型头按比例混合浆料，最后通过层层喷涂的方法得到所述非均质实体。该方法中由于浆料是由气压控制的，当成型头打开时会出现短暂的浆料喷射现象，导致局部浆料瞬间挤压过度；另外该方法在制造过程中没有涉及扣除死体积的方法，因此得出的非均质实体构件的材料比例信息会出现滞后现象；此外，材料喷涂平台在浆料平面扫描过程中水平成型层是靠成型平台Y向运动完成水平扫描的部分功能，因此也可能造成浆料的振动和位移。

关于梯度非均质实体材料的制造方法，国内外申请的专利达上百种，但大多对材料的物理化学性质以及制造过程中工艺要求较为严格，不便于工业上使用；另外从一种材料到另一种材料的过渡方式受到成型工艺的限制，材料的梯度变化较为单一，制造精度较低，灵活性也有待提高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种非均质实体的制造方法和设备。该制造方法和设备基于多个螺杆挤出，且对各浆料挤出的速率进行实时控制，实现成型头出口处浆料的组分的实时变化，并通过逐层扫描的方式实现非均质实体的堆叠制造，具有设计巧妙，通过直接读取非均质实体的材料信息，易于成型头的扫描路线规划；通过实时控制各螺杆挤出速率实现成型头出口处各浆料比例的变化，可以实现高精度、复杂材料变化的非均质实体制造。

本发明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，该制造方法的具体工艺步骤是：

（1）获取材料分层信息

首先将含有多种材料信息的非均质实体模型按照给定的成型精度和适于堆积制造的方向进行切片分层，得到每一分层切片的几何轮廓信息及该几何轮廓内任一点的材料信息；

（2）确定成型方向、层高和堆叠层数