[发明专利]一种非匀质仿生结构増材制造方法

说明书

本发明涉及一种非匀质仿生结构増材制造方法，属于增材制造技术领域，主要应用在零件制造或者模具修复工作中，实现某些仿生功能特性，增强零件或模具某方面的性能。本发明包括的步骤是：三维模型获取、功能需求确定、仿生结构选择、仿生结构参数建模、有限元分析校验、加工路径规划、加工参数设置、增材制造及性能检测评价九个步骤。本发明在增材制造中采用了仿生结构，为增材制造后的制品增加了优良的仿生功能特性；支持采用非匀质的材料来实现增材制造，扩展了增材制造的应用领域和应用前景。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域。特别涉及采用仿生结构和非匀质材料实现仿生功能特性的增材制造方法。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除及切削加工技术，是一种自下而上的制造方法。增材制造技术不需要传统的刀具和夹具以及多道加工工序，在一台设备上可快速精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现了零件“自由制造”，解决了许多复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。而且产品结构越复杂，其制造速度的优势就越显著。增材制造技术作为一种新的加工方式，凭借可以“自由制造”的优势，在许多需要定制的行业得到应用。

自然界生物在亿万年的协同进化中，为满足生存需求而不断适应环境，其结构和功能已经达到近乎完美的程度。以生物体特性为原型，通过模仿生物体梯度结构、多层结构、刚柔交替层叠耦合结构特点，将这些仿生结构应用于零件的制造中，可以为零件带来很多优异的仿生功能特性。

本发明针综合利用仿生结构设计和增材制造技术，设计了一种非匀质仿生结构増材制造方法。能够在增材制造中，使用非匀质材料构建仿生结构，从而使得增材制造的零件具有耐磨、抗冲击、抗疲劳等优秀的功能特性。

发明内容

本发明的目的是通过增材制造的手段，利用非匀质仿生结构，在进行模具或者零件修复的同时，实现某些仿生功能特性，以增强零部件的性能。

本发明包括以下步骤：

1)、获取待加工工件的数字化三维模型，并对其进行规则化前期预处理。

2)、根据工程需求，确定待加工工件所需的功能特性要求及性能约束条件。

3)、以功能特性要求和性能约束条件为目标，确定增材制造过程中所采用的仿生结构的具体形式，并根据待加工工件的基底材料、功能特性要求和性能约束条件选择增材制造过程中采用的非匀质材料。

4)、根据待加工区域的三维模型、仿生结构和性能约束要求，确定仿生结构参数，建立仿生结构参数模型。

5)、采用有限元分析工具对上述采用非匀质仿生结构的增材制造模型进行模拟、分析和校验，如果数值模拟结果能够满足性能约束条件，则进入下一步；否则返回步骤4)，重新设定仿生结构参数。

6)、根据仿生结构要求，对待加工工件的数字化三维模型，进行分单元和分层切片，并获得增材制造的加工路径。

7)、根据材料特性和加工工艺要求，确定增材制造过程中的送粉参数、激光参数、运动参数，建立加工参数建模。

8)、将确定好的加工路径、加工参数输入到增材制造设备中完成增材制造。

步骤1)中所述的规则化前期预处理，包括对待加工区域的三维模型进行挖、切、补的操作，使得待加工区域变得齐整、平滑、顺直，以方便后续工作的进行。

步骤2)中所述的功能特性要求，可以是摩擦磨损性能、抗冲击性能、疲劳性能、减阻性能等仿生功能特性中的任何一种。性能约束条件则是对功能特性的具体量化要求；

步骤3)中所述的仿生结构包括：纵深方向梯度结构、三明治结构、水平方向刚柔耦合结构、化学/物理非光滑结构等。