[发明专利]一种基于3D打印技术的铝基点阵材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于3D打印技术的铝基点阵材料设计与制备方法。通过计算机设计，获得一定的单胞构型及其拓扑结构，然后利用3D打印技术制备出聚合物点阵模型，再通过石膏浆料制壳和气压渗流方法，获得与聚合物点阵模型结构完全一致的铝基(纯铝或铝合金)点阵材料。

背景技术

点阵材料是一种由节点及连接杆单元组成的空间网架类有序多孔材料。与传统的金属泡沫和金属蜂窝材料相比，以轻金属为基体的点阵材料具有更高的比强度、比刚度和单位质量吸能性，尤其是当相对密度较低时，点阵材料具有尤为突出的质量效率和性能优势，是目前国际上公认的最有前景的超强韧轻质结构材料之一。除了优异的力学性能以外，点阵材料还可以通过基体调整、构型变化或孔隙填充进行功能化设计，使之具备透波、缓冲、减振、隔热、防辐射和电磁屏蔽等功能特性。

目前，制备三维多层金属点阵材料的方法主要有熔模铸造法、焊接法、挤压法、冲压折叠法和编织法等。前者因基体材料灵活、单胞构型多元化以及单胞参数更小等优点，被认为是最有发展前景的一种方法。但是，这种方法工艺流程较繁琐，须首先用喷射成型技术制备单层聚合物点阵模型，然后通过拼装和焊接的方法构成空间点阵结构，再通过熔模铸造工艺形成多层金属点阵材料。另外，由于单胞和杆单元均比较小，要求液态金属的流动性必须好，这就给基体材料选择以及材料性能设计带来了极大困难。

总体上看，现有制备方法所能获得的金属点阵材料单胞尺度仍然偏大(≥10mm量级)，且构型单一、层级较少，很难满足众多行业特别是航空航天、国防等高技术领域的多样化需求。因此，研究新型制备方法，突破单胞小型化、多元化成形的技术瓶颈，在整体强韧性进一步提高的同时实现某种或多种功能性的改善，使之表现出真正的结构-功能一体化特性，是本领域的主要发展趋势之一。

如上所述，熔模铸造法是最适宜制备小型单胞、复杂构型三维多层金属点阵材料的方法之一。该方法之所以过程繁琐、技术难度大，是因为制备聚合物模型所用喷射成形技术和熔模铸造工艺的限制。近年来，3D打印技术取得了迅猛的发展，已经突破了传统成形方法在复杂结构、不同材料和工艺流程上的诸多技术障碍，可一次性打印出包括金属材料在内的多种材料组成的复杂结构，成为高效制备精细、复杂、多元结构的最先进的技术之一。但是，对于基体材料为易氧化的Al、Mg等轻金属来说，直接通过3D打印成形容易造成基体内残留氧化夹杂和缝隙等缺陷，导致其力学性能下降。为克服这一困难，本发明利用3D打印技术先获得低熔点非金属点阵模型，再通过熔模制壳、压力渗流制备出金属点阵材料。由于金属液体在压力下流动、充型和凝固，故可获得致密、纯净、结合牢固的基体组织，为保证点阵材料的强韧性提供了重要保障。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于3D打印技术的铝基点阵材料设计与制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于3D打印技术的铝基点阵材料，其特征在于：

所述点阵材料基体为工业纯铝或任何铝合金。

所述的一种基于3D打印技术的铝基点阵材料，其特征在于：

所述点阵材料单胞构型为金字塔型、Kagome型及格栅型。

所述的一种基于3D打印技术的铝基点阵材料，其特征在于：

其单胞杆单元直径0.5～5.0mm，长度0.5～15.0mm，杆单元与投影面夹角30～70°。

所述的一种基于3D打印技术的铝基点阵材料，其特征在于：

所述点阵材料由一层或一层以上金字塔型、Kagome型及格栅型单胞周期性排列而成。

所述的一种基于3D打印技术的铝基点阵材料，其特征在于：

所述点阵材料包括一层或一层以上周期性排列的金字塔型、Kagome型及格栅型单胞与致密面板组成的夹芯板复合结构，致密面板为工业纯铝、铝合金、铁合金或高分子材料。

所述的铝基点阵材料制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)构型设计：采用CATIA软件对点阵材料单胞进行几何建模和构型设计；

(2)3D打印：采用高分子粉末材料为原料，在3D打印机上用激光选区熔化法打印高分子点阵模型；

(3)壳型制备：以3D打印的聚合物点阵模型为牺牲模，将石膏基涂料填充点阵模型的孔隙并将点阵模型完全包覆，然后将涂料烘干、固化并将牺牲模烧除，得到内腔形状与聚合物点阵模型完全一致的石膏壳型；

(4)铝液渗流：将将上述壳型置于专用模具内，将液态铝在气压作用下渗入、充满壳型内腔，待金属液凝固后将壳型分离便得到铝基点阵材料。