[发明专利]一种非均质实体的制造方法及设备

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及设备。

背景技术

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，Jepson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.Bourell，and K.L.Wood，‘SLS Processing of Functionally Gradient Materials，’pp.67-79，in the Proceedings of the 8^th Annual SFF Symposium，Edited by D.L.Bourell，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 8^th Annual SFF Symposium，Edited by D.L.Bourell.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.Bourell.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。