[发明专利]功能梯度材料与结构一体化制造的3D打印装置及打印方法

说明书

本发明公开了功能梯度材料与结构一体化制造的3D打印装置及打印方法，3D打印装置，包括：三维移动支架；打印喷头，安装于三维移动支架上，包括步进电机、搅拌桨、壳体和喷嘴，步进电机设置于壳体的端部，搅拌桨的一端通过连轴器与步进电机的输出轴连接，另一端延伸至壳体内部的混料室中，步进电机的输出轴与壳体之间密封设置；喷嘴与步进电机相对地安装于壳体的另一端，喷嘴与混料室之间的物料流道上设置有控制阀；混料室的侧壁上设置有打印材料I进口和打印材料II进口，分别与打印材料I供料泵和打印材料II供料泵连接；混料室与步进电机之间的壳体的侧壁上设置有气路I开口和气路II开口，分别与气源和真空泵连接。

技术领域

本发明属于增材制造和功能梯度材料/结构制造技术领域，具体涉及一种功能梯度材料与结构一体化制造的3D打印装置及打印方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

功能梯度材料(Functionally Gradient Material,简称FGM)是指在材料的制备过程中，采用先进的复合技术，使材料的微观要素(包括材料组分和微观结构),在某特定方向上呈连续(或准连续)的梯度变化,从而使材料的宏观性能也在同一方向上呈连续(或准连续)梯度变化的一种非均质复合材料。功能梯度材料的显著特点是在传统的复合材料中加上材料含量配比成梯度变化的中间过渡层，从而使材料的物理性能呈渐变形式，避免或缓解传统复合材料由于物性差异太大而在使用过程中所产生诸如应力集中、开裂及剥落等缺陷。此外，功能梯度材料还具有非常好的可设计性，通过有针对性地改变各组分材料体积含量或者微结构的空间分布，以达到优化结构内部应力分布、满足不同部位对材料使用性能的要求，诸如变刚度、变介电常数等。作为一种全新的先进材料，它既解决了复合材料的界面应力问题，同时又保持了材料的复合特性。由于其优异的物化性能，功能梯度材料目前已经被应用于航空航天、生物医疗、核工程、能源、电磁、光学、性电子、可穿戴设备、软体机器人等诸多领域，显示出广阔的应用前景。

根据功能梯度材料所含有材料成分的不同，功能梯度材料分为：(1)无机功能梯度材料，主要包括金属/陶瓷、金属/非金属、金属/金属和陶瓷/非金属等；(2)聚合物功能梯度材料，主要包括高聚物/高聚物、高聚物/陶瓷、高聚物/金属和高聚物/无机填料等，但是目前聚合物功能梯度材料的研究与开发还主要集中在高聚物/高聚物和高聚物/无机填料这两大类。聚合物功能梯度材料(PGM)主要指的是基体材料为高分子材料的一类功能梯度材料的总称，与无机功能梯度材料相比，聚合物功能梯度材料具有更为广泛的工程化应用。

据发明人了解，功能梯度材料现有的主要制备方法：化学气相沉积法、物理蒸镀法、等离子喷涂法、自蔓延高温合成法、粉末冶金法、离心成形法、注浆成形法、化学气相渗透法和电解析出法等。但是这些传统的制备方法只能用来成形一些结构较简单的功能梯度材料，无法实现复杂结构件的成形，尤其是复杂三维功能梯度材料和结构一体化制造，而且现有技术成形过程复杂，效率低，成本高。近年出现的增材制造技术(3D打印)为功能梯度材料和功能梯度结构件的制造提供了一种全新的技术解决方案，尤其是多材料和多尺度3D打印技术为功能梯度材料和复杂三维结构提供了一种理想的成形方法。

根据功能梯度结构3D打印原材料的不同，基于3D打印制造功能梯度材料/结构的方法分为三类：(1)原材料均为液体(液态)，即不同体积分数(或者质量分数)液、液混合3D打印；(2)一种原材料是液体(液态)，另外一种是固体(粉末状或者颗粒状固态，而且能够溶解在第一种液态原材料中)，即不同体积分数(或者质量分数)液、固混合3D打印；(3)原材料均为固态(固体，粉末状、颗粒状、丝材状等)，即不同体积分数(或者质量分数)固、固混合3D打印。