專利名稱：一種非均質(zhì)實體的制造方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于先進制造技術(shù)，具體為一種非均質(zhì)實體的制造方法及設(shè)備。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對各類零件的性能從各方面提出了更高的要求，通常單一 (均質(zhì))材料的零件無法滿足各類近乎苛刻的使用條件。日本科學(xué)技術(shù)廳航空宇航研究所于1987年提出了功能梯度材料(Functionally Graded Materials, FGMs)的概念，即多種材料的組分或結(jié)構(gòu)連續(xù)過渡，可同時具備幾種不同材料的優(yōu)良性能。而傳統(tǒng)的材料制備方法只能形成梯度分布方向單一、結(jié)構(gòu)簡單的實體?？焖俪尚?Rapid Prototyping)技術(shù)的出現(xiàn)，實現(xiàn)了制造科學(xué)上制造理論的突破，根本有別于傳統(tǒng)的制造方法，比如去除成形、受迫成形，而是基于離散/堆積原理，將三維CAD模型沿一定方向一定厚度離散分解成不連續(xù)的層片，得到一系列層片數(shù)據(jù)。根據(jù)各種工藝各自的工藝要求，通過合理的工藝規(guī)劃，生成控制成形的運動軌跡。在堆積過程中，成形工具在運動軌跡的控制下，加工出層片，并將新生成的層片與已生成部分堆積、連接，層片生成與堆積連接過程循環(huán)往復(fù)，直至整個構(gòu)件加工完成。此技術(shù)有望實現(xiàn)非均質(zhì)(包括不同材料組分的漸變和突變)實體的制造。為了用快速成形技術(shù)制造出成形材料或結(jié)構(gòu)沿一定方向梯度變化的非均質(zhì)實體，J印son等人撰寫的《激光選擇燒結(jié)制造功能梯度材料》(L. Jepson, J. J. Beaman, D. L. Boure 11, and K.L.Wood, ‘ SLS Processing of Functional Iy Gradient Materials,，pp. 67-79, in the Proceedings of the 8th Annual SFF Symposium, Edited by D. L. Bourel 1, The University of Texas, Austin, 1997.)介紹了一種多材料選擇性燒結(jié)技術(shù)(M2SLS),該技術(shù)存在梯度過渡不連續(xù)的問題；Fessler等人的《形狀沉積法制造金屬功能梯度材料》(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 8th Annual SFF Symposium,Edited by D. L. Bourel1. The University of Texas, Austin, 1997.)文件介紹了的形狀沉積制造方法(Shape Deposition Manufacturing)，和Morvan等人撰寫的《通過透鏡制造非均質(zhì)調(diào)速論》(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. Bourel 1. The University of Texas, Austin, 2001.)介紹了激光工程凈成形(Laser Engineered Net Shaping)等技術(shù)。該技術(shù)雖然可實現(xiàn)一種材料到另一種材料的連續(xù)過渡，但精度較低，距離實際要求有很大差距。申請?zhí)枮?00810053855. 5的中國專利介紹了一種非均質(zhì)功能構(gòu)件的制造方法與裝置。該方法采用打印機微噴堆積與激光掃描燒結(jié)相結(jié)合的方法，首先對非均質(zhì)功能構(gòu)件三維CAD模型分層得到層片數(shù)據(jù)，利用材料組分分離技術(shù)和數(shù)字半色調(diào)技術(shù)，得到層片內(nèi)不同材料組分的二值化圖像，通過計算機控制系統(tǒng)識別并讀取該二值化圖像信息，用讀取的二值化圖像信息控制打印噴頭噴出一種或一種以上組分材料的打印墨水，同時用激光頭
4對噴出的墨水進行同步掃描燒結(jié)，使墨水反應(yīng)固化，逐層進行，最終制造出非均質(zhì)功能構(gòu)件。雖然用該方法與裝置能夠?qū)崿F(xiàn)非均質(zhì)功能構(gòu)件的制造，但由于該方法所采用的“墨水” 是預(yù)先配好并分裝在不同的打印墨盒內(nèi)，在打印時以按需噴射方式“打印”在指定的位置， 因此“墨水”的變化在宏觀上可以呈現(xiàn)出一定的連續(xù)性，但從微觀上看，各種“墨水”尚處于離散式分布，各組分材料之間仍存在明顯的微界面。另外，就現(xiàn)有技術(shù)來講，實現(xiàn)對非均質(zhì)功能構(gòu)件的建模與分層、使模型和層片數(shù)據(jù)中都含有材料信息這一技術(shù)還不夠成熟，實現(xiàn)過程比較復(fù)雜。Jonathan Powell等人撰寫的《用多層陶瓷微管共擠壓制作固體氧化物燃料電池》 (Jonathan Powell and Stuart Blackburn, 'Co-extrusion of Multilayered Ceramic Micro-Tubes for Use as Solid Oxide Fuel Cells,，pp.2859-2870 in the Journal of the European Ceramic Society 30(2010).)介紹了用多種組分材料共擠壓制造管狀固體氧化物燃料電池，通過這種方法將電解質(zhì)層制作成材料呈梯度變化的多層結(jié)構(gòu)，減小了材料內(nèi)部力學(xué)性能和熱力學(xué)參數(shù)不匹配帶來的問題。該方法用擠壓成形的方法在一定程度上實現(xiàn)了非均質(zhì)實體的制造，有效地解決了燃料電池的陽極層和電介質(zhì)層結(jié)合性差的問題。 該技術(shù)雖然能實現(xiàn)材料的梯度變化，但只能制造材料梯度變化不明顯的結(jié)構(gòu)，并且成形的梯度變化的層數(shù)受到限制，靈活性很差，精度低。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，提供一種非均質(zhì)實體的制造方法及設(shè)備。該方法及設(shè)備無需通過對非均質(zhì)實體建模來使模型中含有材料信息，而是通過軟件方式來實現(xiàn)實體中材料信息的添加，且材料信息添加方式靈活；該方法及設(shè)備制造的非均質(zhì)實體，宏觀上，材料呈明顯的梯度變化；微觀上，減少了各組分材料之間的微界面， 可制造出高精度的非均質(zhì)實體。本發(fā)明解決所述制造方法技術(shù)問題的技術(shù)方案是，設(shè)計一種非均質(zhì)實體的制造方法，該方法基于漿料的微流擠壓與多組分材料按比例實時混合相結(jié)合的方法，采用如下步驟(1)首先由三維CAD軟件設(shè)計出不含任何材料信息的實體模型，然后根據(jù)成形實體的工藝要求，將實體模型按設(shè)計厚度切片分層，得到實體模型每一層的二維層片信息；(2)材料信息添加軟件根據(jù)二維層片內(nèi)填充輪廓對材料組分的要求，控制多組分材料混合擠壓成形頭完成不同材料組分料漿的按比例混合，得到符合填充輪廓要求的材料組分的料漿；在常規(guī)運動控制軟件的控制下，多組分材料混合擠壓成形頭沿X軸和Y軸方向運行，完成實體二維層片內(nèi)一條填充輪廓的擠壓成形；然后，根據(jù)該二維層片內(nèi)下一條填充輪廓對材料組分的要求控制多組分材料混合擠壓成形頭按比例混合各種不同材料組分的料漿，得到該填充輪廓所需材料組分的料漿；依上所述連續(xù)按比例混合不同材料組分料漿， 然后擠壓成形，直至完成該二維層片的擠壓成形；使二維層片內(nèi)填充輪廓的材料組分沿設(shè)計方向呈梯度連續(xù)變化；所述多組分材料混合擠壓成形頭主要包括不同材料組分料漿配比系統(tǒng)和靜態(tài)混合系統(tǒng)；(3)在計算機的控制下，使多組分材料混合擠壓成形頭沿Z軸方向運動，向上移動一個實體層片的高度，采用與第(2)步一樣的方法完成實體第二層片的擠壓成形，同時使第一層片與第二層片粘結(jié)成一個整體；(4)重復(fù)第( 和(3)步方法，依次按照所述實體每一層的二維層片信息逐層進行制造，并依次粘結(jié)成一個整體，直至制得所述的非均質(zhì)實體。本發(fā)明解決所述制造設(shè)備技術(shù)問題的技術(shù)方案是，設(shè)計一種非均質(zhì)實體的制造設(shè)備，其特征在于該制造設(shè)備適用于本發(fā)明所述的制造方法，包括三維運動控制平臺、多組分材料混合擠壓成形頭、供氣及氣壓控制裝置和控制系統(tǒng)；所述的三維運動控制平臺包括底板、龍門支架、成形平臺、X向傳動機構(gòu)、X向精密線性模組的滑塊、Y向傳動機構(gòu)、Y向精密線性模組的滑塊、Z向傳動機構(gòu)和Z向精密線性模組的滑塊；所述龍門支架豎直安裝在底板上，成形平臺安裝在Y向精密線性模組的滑塊上，X向傳動機構(gòu)固定在龍門支架上，Z向傳動機構(gòu)固定在X向精密線性模組的滑塊上，Y向傳動機構(gòu)直接固定在底板上；所述多組分材料混合擠壓成形頭包括料腔蓋、供料腔、預(yù)混合儲料腔、靜態(tài)混和器、兩位兩通電磁閥、終料儲料腔、用于連接各元件的連接導(dǎo)管、輸送恒壓氣體的上氣體導(dǎo)管、下氣體導(dǎo)管和噴嘴；所述靜態(tài)混合器包括靜態(tài)混合腔及其內(nèi)部填裝的固體小顆粒；所述多組分材料混合擠壓成形頭安裝在Z向精密線性模組的滑塊上；所述供氣及氣壓控制裝置主要包括氣泵、減壓閥、兩位三通電磁閥和氣體導(dǎo)管；所述的控制系統(tǒng)包括控制裝置、計算機和材料信息添加軟件；控制裝置通過通用擴展槽與計算機相連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明制造方法和設(shè)備基于漿料的微流擠壓與多組分材料按比例實時混合相結(jié)合的方法，可根據(jù)成形實體二維層片內(nèi)填充輪廓的材料組分要求實現(xiàn)材料組分的實時按比例混合及復(fù)雜形狀的非均質(zhì)實體的制造，工藝過程和制造設(shè)備簡單，材料添加方式靈活，成形精度高；而且在成形過程中能很方便的給成形實體添加支撐材料，很好的解決了成形實體內(nèi)部和表面變形或塌陷等問題。


圖1為本發(fā)明非均質(zhì)實體的制造方法及設(shè)備一種實施例的成形過程流程示意圖；圖2為本發(fā)明非均質(zhì)實體的制造設(shè)備一種實施例的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明非均質(zhì)實體的制造設(shè)備一種實施例采用的多組分材料混合擠壓成形頭的整體外觀示意圖圖4為本發(fā)明非均質(zhì)實體的制造設(shè)備一種實施例采用的多組分材料混合擠壓成形頭的局部結(jié)構(gòu)示意圖其中，圖4(a)為供料腔上部的料腔蓋的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4(b) 為供料腔腔口結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明非均質(zhì)實體的制造設(shè)備一種實施例采用的多組分材料混合擠壓成形頭的內(nèi)部剖面結(jié)構(gòu)示意圖圖6為本發(fā)明非均質(zhì)實體的制造設(shè)備一種實施例采用的多組分材料混合擠壓成形頭的局部結(jié)構(gòu)示意圖其中，圖6(a)為靜態(tài)混合腔內(nèi)固體小顆粒的截面放大圖；圖6(b) 為供料腔內(nèi)活塞的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明非均質(zhì)實體的制造方法及設(shè)備一種實施例的材料信息添加軟件程序流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和其附圖對本發(fā)明作進一步說明，實施例是以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行的一種實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本申請權(quán)利要求不受限于實施例。本發(fā)明設(shè)計的非均質(zhì)實體的制造方法(簡稱制造方法，參見圖1)基于漿料微流擠壓與多組分材料實時按比例混合相結(jié)合的方法，采用如下步驟(1)首先由三維CAD軟件設(shè)計出不含任何材料信息的實體模型，然后根據(jù)成形實體的工藝要求，將實體模型按設(shè)計厚度切片分層，得到實體每一層的二維層片信息。所述三維CAD實體模型中不含有任何材料組分信息，用其分層得到的層片數(shù)據(jù)也不含有任何材料組分信息，實體中材料信息是在二維層片成形過程中，通過專門軟件沿設(shè)計指定的梯度方向添加的；所述二維層片內(nèi)任意一條填充輪廓的材料組分均是均勻的，但二維層片內(nèi)不同填充輪廓的材料組分可以不同，最終使二維層片內(nèi)的材料呈梯度(包括線性、非線性或線性與非線性相結(jié)合)變化。(2)材料信息添加軟件根據(jù)二維層片內(nèi)填充輪廓對材料組分的要求，控制多組分材料混合擠壓成形頭完成不同材料組分料漿的按比例配料混合，得到符合填充輪廓要求的材料組分的料漿；在常規(guī)運動控制軟件的控制下，多組分材料混合擠壓成形頭沿X軸和Y軸方向運行，完成實體二維層片內(nèi)一條填充輪廓的擠壓成形；然后，根據(jù)該二維層片內(nèi)下一條填充輪廓對材料組分的要求控制多組分材料混合擠壓成形頭按比例混合各種不同材料組分的料漿，得到該填充輪廓所需材料組分的料漿，如此連續(xù)按比例配料混合不同材料組分料漿然后擠壓成形，直至完成該二維層片的擠壓成形；使二維層片內(nèi)填充輪廓的材料組分沿設(shè)計指定的方向呈梯度連續(xù)變化。所述實體成形用料漿在密閉容器內(nèi)為液態(tài)，且粘度較低，流動性好，該料漿與空氣接觸時，能迅速凝固，且有一定的黏性。(3)在計算機的控制下，使多組分材料混合擠壓成形頭沿Z軸方向運動，向上移動一個實體層片的高度，采用與第(2)步一樣的方法完成實體第二層片的擠壓成形，同時使第一層片與第二層片粘結(jié)成一個整體。(4)重復(fù)第(2)和(3)步方法，依次按照所述實體每一層的二維層片信息逐層進行，并依次粘結(jié)成一個整體，直至制得所述的非均質(zhì)實體。本發(fā)明制造方法的創(chuàng)新點之一是采用了一種新型的靜態(tài)混合技術(shù)。該靜態(tài)混合技術(shù)采用固體小顆粒作為混合元件，一方面可得到很好的混合效果，另一方面可通過改變固體小顆粒的大小控制料漿混合的均勻程度；同時成形料漿在內(nèi)部氣體預(yù)壓力的作用下，能快速通過靜態(tài)混合器，減少了混合產(chǎn)生的時間滯后，靈活性高，使用方便。與傳統(tǒng)的靜態(tài)混合技術(shù)相比，本發(fā)明靜態(tài)混合技術(shù)更適合用于混合微量料漿；與動態(tài)混合技術(shù)相比，本發(fā)明靜態(tài)混合技術(shù)降低了硬件成本，避免了動態(tài)混合時產(chǎn)生的噪聲，而且，該靜態(tài)混合技術(shù)使用的靜態(tài)混合器的成本低，結(jié)構(gòu)簡單，便于操作，可以用于各種材料組分料漿的混合，更具有普遍適用性。本發(fā)明制造方法的創(chuàng)新點之二是，實體的材料信息添加是通過專門軟件即材料信息添加軟件來實現(xiàn)的。實體材料信息添加軟件是以二維層片內(nèi)填充輪廓為基本單元，層片內(nèi)任意一條填充輪廓的材料組分均是均勻的，二維層片內(nèi)各條填充輪廓的材料組分互不相同，這樣在二維層片內(nèi)以填充輪廓為基本單元的材料呈梯度變化。材料信息添加軟件在二維層片內(nèi)添加材料信息的方式有三種線性方式、非線性方式和線性與非線性相結(jié)合方式。 線性方式是二維層片內(nèi)填充輪廓的材料組分沿設(shè)計指定方向呈線性變化，非線性方式是二維層片內(nèi)填充輪廓的材料組分沿設(shè)計指定方向呈非線性變化，線性與非線性相結(jié)合的方式是根據(jù)二維層片內(nèi)材料梯度變化的要求或?qū)嶓w內(nèi)部對材料性能的要求，材料沿設(shè)計指定方向呈線性與非線性相結(jié)合的方式變化。這三種材料信息添加方式主要根據(jù)成形實體性能要求來選擇。本發(fā)明同時設(shè)計了所述非均質(zhì)實體的制造設(shè)備(簡稱制造設(shè)備，參見圖2、3、4、5 和6)，其特征在于該制造設(shè)備適用于本發(fā)明所述非均質(zhì)實體的制造方法，包括三維運動控制平臺1、多組分材料混合擠壓成形頭2、供氣及氣壓控制裝置3和控制系統(tǒng)；所述的三維運動控制平臺包括底板11、龍門支架12、成形平臺13、X向傳動機構(gòu)14、X向精密線性模組的滑塊15、Y向傳動機構(gòu)16、Υ向精密線性模組的滑塊17、Ζ向傳動機構(gòu)18和Z向精密線性模組的滑塊19 ；所述龍門支架12豎直安裝在底板11上，成形平臺13安裝在Y向精密線性模組的滑塊17上，可使成形平臺13沿Y方向移動；X向傳動機構(gòu)14固定在龍門支架12上， Z向傳動機構(gòu)18固定在X向精密線性模組的滑塊15上，Y向傳動機構(gòu)16直接固定在底板 11上；所述的X向傳動機構(gòu)14、Y向傳動機構(gòu)16和Z向傳動機構(gòu)18均由伺服電機和精密線性模組構(gòu)成；所述的X向精密線性模組、Y向精密線性模組和Z向精密線性模組是采用直線導(dǎo)軌和滾珠絲杠為執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)；本發(fā)明設(shè)計的多組分材料混合擠壓成形頭2 (簡稱成形頭，參見圖幻包括料腔蓋21、供料腔29、預(yù)混合儲料腔217、靜態(tài)混合腔216、固體小顆粒218 (參見圖6 (a))、兩位兩通電磁閥010、219、2沈、211、215和213)、終料儲料腔214、用于連接各元件的連接導(dǎo)管O20、221、222、223、225和227)、輸送恒壓氣體的上氣體導(dǎo)管224、下氣體導(dǎo)管212及噴嘴沈，其中預(yù)混合儲料腔217與靜態(tài)混合腔216結(jié)構(gòu)相同，但功能不同預(yù)混合儲料腔217 用于存儲按比例配比好的不同材料組分料漿，靜態(tài)混合腔216和其內(nèi)部填裝的固體小顆粒 218共同構(gòu)成靜態(tài)混合器016和218)，固體小顆粒218可起到混合均勻作用，有助于實現(xiàn)料漿的均勻混合；所述固體小顆粒218的體積越大，料漿混合效果越不明顯，體積越小，料漿混合效果越明顯。本發(fā)明中所述固體小顆粒為金屬或非金屬氧化物，包括二氧化硅、氧化鋁或氧化銅等，小顆粒直徑為0. 5 2mm ；所述靜態(tài)混合腔內(nèi)裝滿所述固體小顆粒。所述料腔蓋21 (參見圖4(a))上部帶氣孔22和料腔蓋固定裝置23，所述供料腔四內(nèi)安裝活塞 28 (參見圖6 (b))，供料腔四上部帶有固定裝置24 (參見圖4 (b))，并且與料腔蓋21上的固定裝置23互相配合，實現(xiàn)料腔蓋21的固定。所述料腔蓋21由橡膠材料構(gòu)成，實施例為白色橡膠。料腔蓋21的下部帶有螺紋，該螺紋能增大料腔蓋21與供料腔四之間的結(jié)合力和氣密性；所述活塞觀由橡膠材料構(gòu)成，實施例為白色橡膠。本發(fā)明設(shè)計的成形頭2的進一步特征是，所述成形頭2是以設(shè)計厚度、長度和寬度的有機玻璃板為基體，應(yīng)用激光內(nèi)雕刻技術(shù)將供料腔四、預(yù)混合儲料腔217、靜態(tài)混合腔 216、終料儲料腔214、連接各元件的連接導(dǎo)管O20、221、222、223、225和227)、上氣體導(dǎo)管 212和下氣體導(dǎo)管224等零部件內(nèi)雕刻于所述有機玻璃板基體上加工成的多組分材料混合擠壓成形一體頭，所述預(yù)混合儲料腔217上部有可以通入恒壓氣體的上氣體導(dǎo)管224，所述終料儲料腔214的上部有可以通入恒壓氣體的下氣體導(dǎo)管212，通過上氣體導(dǎo)管2Μ和下氣體導(dǎo)管212分別向預(yù)混合儲料腔217和終料儲料腔214內(nèi)料漿提供氣體預(yù)壓力；供料腔四與預(yù)混合儲料腔217用連接導(dǎo)管220、221和225分別相連，并用兩位兩通電磁閥2沈、219 和210分別控制連接導(dǎo)管220、221和225的通斷，預(yù)混合儲料腔217與靜態(tài)混合腔216用連接導(dǎo)管222相連，并用兩位兩通電磁閥211控制連接導(dǎo)管222的通斷，靜態(tài)混合腔216與終料儲料腔214用連接導(dǎo)管227相連，并用兩位兩通電磁閥215控制連接導(dǎo)管227的通斷， 終料儲料腔214與外部噴嘴沈用連接導(dǎo)管223相連，并用兩位兩通電磁閥213控制連接導(dǎo)管223的通斷。所述兩位兩通電磁閥010、219、2沈、211、215和213)均內(nèi)嵌于所述有機玻璃板內(nèi)；當(dāng)需要用更多種不同材料組分料漿制造非均質(zhì)實體時，可以用增加供料腔四的個數(shù)來實現(xiàn)(本實施例為B、C和D三個)，其它結(jié)構(gòu)不變。本發(fā)明成形頭2由于全部為透明的有機玻璃材料，因此可以看見成形過程中材料的狀態(tài)變化，及時發(fā)現(xiàn)成形過程中產(chǎn)生的問題，實現(xiàn)了對非均質(zhì)實體成形過程的可視化。成形頭2安裝在Z向精密線性模組的滑塊19上，可以沿X、Z方向移動；成形頭2主要完成各種不同材料組分料漿的按比例配料混合及料漿的擠壓。本發(fā)明所述供氣及氣壓控制裝置包括氣體導(dǎo)管依次連接的氣泵32、減壓閥31和兩位三通電磁閥33。本發(fā)明所述控制系統(tǒng)包括控制裝置41和計算機42及材料信息添加軟件；控制裝置41通過計算機42的通用擴展槽與計算機42相連接；材料信息添加軟件配裝在計算機42 內(nèi)。本發(fā)明所述控制裝置41是設(shè)備的控制中心，實施例是由各個分立器件構(gòu)成的控制柜；計算機42主要負(fù)責(zé)給出控制系統(tǒng)具體的控制算法，控制系統(tǒng)的管理、程序相關(guān)參數(shù)的設(shè)定、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、各種開關(guān)信號和反饋信號的處理等工作， 并由控制裝置41來完成控制信號的輸出。本發(fā)明所述的多組分材料混合擠壓成形頭2安裝在Z向精密線性模組的滑塊19 上，可以沿X、Z方向移動；成形平臺13安裝在Y向精密線性模組的滑塊17上，可以沿Y方向移動；通過多組分材料混合擠壓成形頭2與成形平臺13的運動配合，可順利完成非均質(zhì)實體的制造。本發(fā)明中的成形頭2能夠?qū)⒍喾N不同材料組分料漿實時按比例混合得到實體成形所需料漿，其中供料腔B、供料腔C和供料腔D內(nèi)分別裝有不同材料組分的一種料漿，為實體成形提供原料漿。所述料腔蓋21中間帶有氣孔22，在實體成形過程中，通過氣孔23 分別向供料腔B、供料腔C和供料腔D內(nèi)通入恒壓氣體。所述恒壓氣體通過活塞觀(參見圖6(b))對料漿施加恒定的氣體預(yù)壓力，使供料腔(B、C和D)內(nèi)的料漿能快速的進入預(yù)混合儲料腔217中，從而使各種不同材料組分的料漿在預(yù)混合儲料腔217內(nèi)實現(xiàn)預(yù)混合。在實體成形過程中，通過控制電磁閥210、電磁閥2 和電磁閥219的開閉時間，實現(xiàn)對供料腔B、供料腔C和供料腔D內(nèi)料漿供料量的控制；進入預(yù)混合儲料腔217的料漿在經(jīng)氣體導(dǎo)管2M通入的恒定氣體產(chǎn)生的氣體預(yù)壓力的作用下快速通過由電磁閥211控制的連接導(dǎo)管 222進入裝滿固體小顆粒218的靜態(tài)混合腔216，實現(xiàn)各種不同材料組分料漿的均勻混合。 經(jīng)混合均勻后的料漿最后經(jīng)由電磁閥215控制的連接導(dǎo)管227流入終料儲料腔214，準(zhǔn)備成形使用。當(dāng)實體成形開始后，通過控制電磁閥213的開閉時間，并在經(jīng)氣體導(dǎo)管212中通入的恒壓氣體預(yù)壓力的作用下，實現(xiàn)實體的擠壓成形。本發(fā)明制造方法創(chuàng)新性提出了一種用軟件控制成形設(shè)備添加材料信息來制造非均質(zhì)實體的制造方法。為了實現(xiàn)不同材料組分料漿能夠按比例配料，本發(fā)明采用了兩位兩通電磁閥Ο10、219和216)作為料漿流量的控制元件。該兩位兩通電磁閥Ο10、219和216) 為脈沖控制電磁閥，電磁閥脈沖響應(yīng)頻率應(yīng)與控制系統(tǒng)脈沖發(fā)生頻率相匹配，根據(jù)各種不同材料組分料漿的粘度的不同可得出不同材料組分料漿在相同氣體預(yù)壓力下的流量值。成形制造過程中，計算機控制系統(tǒng)發(fā)送脈沖控制信號給兩位兩通電磁閥Ο10、219和216)，兩位兩通電磁閥Ο10、219和216)接到高電平時打開，根據(jù)料漿的流量，計算一定量的料漿流入預(yù)混合儲料腔217的時間，通過軟件控制兩位兩通電磁閥開關(guān)Q10、219和216)的開閉時間完成料漿的按比例配料。供料腔四中通入恒定壓力的氣體，為料漿按比例配料提供氣體預(yù)壓力。所述氣體由氣泵32產(chǎn)生，經(jīng)過減壓閥31的控制轉(zhuǎn)換成恒壓氣體。預(yù)混合儲料腔217中的氣體預(yù)壓力使預(yù)混合儲料腔217中料漿加快通過靜態(tài)混合器的速度，減少混合時間和此過程造成的成形滯后時間，終料儲料腔214中的氣體預(yù)壓力為混合均勻的料漿由噴嘴26擠出成形提供氣體預(yù)壓力，預(yù)混合儲料腔217和終料儲料腔214中通入的氣體均由兩位三通電磁閥33控制。該電磁閥33為常閉型兩位三通電磁閥，未通電時，是關(guān)閉狀態(tài)。 預(yù)混合儲料腔217與終料儲料腔214通過三通電磁閥33的排氣孔與外界相通，使內(nèi)外氣壓相等，料漿能夠更容易的流入預(yù)混合儲料腔217和終料儲料腔214。在制造非均質(zhì)實體過程中，本發(fā)明制造方法和設(shè)備采用所述材料信息添加軟件添加材料信息的方法如下(參見圖7)(1)首先按照由內(nèi)向外或由外向內(nèi)的添加順序，讀取第一個層片中的填充輪廓信息并對層變量賦值N=I;(2)選擇材料信息添加方式線性方式、非線性方式或線性與非線性相結(jié)合的方式，根據(jù)所選擇的材料信息添加方式和由內(nèi)向外或由外向內(nèi)的添加順序，確定各種不同材料組分料漿占每條填充輪廓總料漿的體積分?jǐn)?shù)，并將所占的體積分?jǐn)?shù)存儲在鏈表中；(3)層片內(nèi)填充輪廓是由一系列二維坐標(biāo)點首尾相接形成，結(jié)合成形用噴嘴直徑依次循環(huán)求得每條填充輪廓的體積，根據(jù)各種不同材料組分料漿占每條填充輪廓總料漿的體積分?jǐn)?shù)和每條填充輪廓的體積，計算求得每條填充輪廓中各種不同材料組分料漿在填充輪廓中所占實際體積；(4)當(dāng)氣體預(yù)壓力、料漿粘度和流道直徑一定時，求得各種不同材料組分料漿的流量值，根據(jù)各種材料組分料漿的流量值及它們在填充輪廓中所占的體積將體積值轉(zhuǎn)換為時間值，并將該值存儲在鏈表中，該時間值作為控制電磁閥打開的控制時間控制料漿的按比例配比，實現(xiàn)材料信息的添加；(5)當(dāng)完成第一層片材料信息添加以后，程序詢問是否是最后一層？如果“否”，則返回步驟O)并對層變量賦值N = N+1 ；如果“是”，則完成工作。本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。下面根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案給出具體實施例。本發(fā)明權(quán)利要求不受實施例的限制實施例1采用本發(fā)明所述的制造方法及設(shè)備制造長50mm，直徑3mm的固體氧化物燃料電池。設(shè)置材料信息添加控制軟件中材料添加方式為線性方式，噴嘴直徑100 μ m。其過程如下
首先運用三維CAD軟件設(shè)計出固體氧化物燃料電池三維實體模型(參見圖1)，然后根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計工藝要求，將其按設(shè)計層厚進行切片分層，層數(shù)為500，每一層的切片厚度為100 μ m，計算機連續(xù)讀取二維層片信息，控制軟件根據(jù)材料信息添加方式，通過控制成形頭2內(nèi)兩位兩通電磁閥210的開閉時間實現(xiàn)各種不同材料組分料漿按比例配料后流入預(yù)混合儲料腔217，在預(yù)混合儲料腔217內(nèi)氣體預(yù)壓力的作用下，料漿經(jīng)過靜態(tài)混合器混合均勻后流入終料儲料腔214，得到成形所需料漿，然后根據(jù)計算機讀取的二維層片第一條輪廓信息，通過控制系統(tǒng)控制各成形機構(gòu)協(xié)調(diào)運動及成形頭2噴嘴沈的開閉完成二維層片內(nèi)第一條填充輪廓的擠壓成形，接著計算機讀取二維層片內(nèi)第二條填充輪廓，控制軟件根據(jù)材信息添加方式通過控制系統(tǒng)控制成形頭2為第二條填充輪廓按比例配料混合所需材料組分料漿，通過控制系統(tǒng)控制各成形機構(gòu)協(xié)調(diào)運動及成形頭噴嘴的開閉完成第二條輪廓的擠壓成形，第一條填充輪廓與第二條填充輪廓粘結(jié)，如此反復(fù)，一條條輪廓擠壓成形完成固體氧化物燃料電池一層的成形制造，接著，計算機把下一層的信息傳遞給控制系統(tǒng)，完成固體氧化物燃料電池第二層的成形制造，重復(fù)上述層片成形過程直至所有層片成形完畢，即快速制造出固體氧化物燃料電池。用該方法制得的固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)層具有非常明顯的材料梯度變化規(guī)律，增強了陽極層與電解質(zhì)層的結(jié)合性，減少了固體氧化物燃料電池在燒結(jié)時因陽極層與陰極層結(jié)合性差而導(dǎo)致的層脫落現(xiàn)象。實施例2與實施例1基本相同。所不同的是，設(shè)置材料信息添加控制軟件中材料添加方式為非線性方式，制得的固體氧化物燃料電池其電解質(zhì)層材料梯度變化均勻程度提高了 25%，大大提高了該固體氧化物燃料電池的可實用性。實施例3與實施例1基本相同。所不同的是，設(shè)置材料信息添加控制軟件中材料添加方式為線性和非線性相結(jié)合的方式，制得的固體氧化物燃料電池其電解質(zhì)層材料梯度變化均勻程度提高了 40%，不但大大提高了該固體氧化物燃料電池的可實用性，而且進一步降低了固體氧化物燃料電池在燒結(jié)時因陽極層與陰極層結(jié)合性差而導(dǎo)致的層脫落現(xiàn)象。實施例4采用本發(fā)明所述的制造方法及設(shè)備制造長IOOmm的人體髖關(guān)節(jié)模型，設(shè)置材料信息添加控制軟件中材料添加方式為線性方式，噴嘴直徑1mm。其過程如下首先運用三維CAD軟件設(shè)計出髖關(guān)節(jié)三維實體模型(參見圖1)，然后根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計工藝要求，將其按設(shè)計層厚進行切片分層，層數(shù)為100，每一層的切片厚度為1mm，計算機連續(xù)讀取二維層片信息，控制軟件根據(jù)材信息添加方式，通過控制成形頭2內(nèi)兩位兩通電磁閥210的開閉時間實現(xiàn)各種不同材料組分料漿按比例配料后流入預(yù)混合儲料腔217，在預(yù)混合儲料腔217內(nèi)氣體預(yù)壓力的作用下，料漿經(jīng)過靜態(tài)混合器混合均勻后流入終料儲料腔214，得到成形所需料漿，然后根據(jù)計算機讀取的二維層片第一條輪廓信息，通過控制系統(tǒng)控制各成形機構(gòu)協(xié)調(diào)運動及成形頭2噴嘴沈的開閉完成二維層片內(nèi)第一條填充輪廓的擠壓成形，接著計算機讀取二維層片內(nèi)第二條填充輪廓，控制軟件根據(jù)材信息添加方式通過控制系統(tǒng)控制成形頭2為第二條填充輪廓按比例配料混合所需材料組分料漿，通過控制系統(tǒng)控制各成形機構(gòu)協(xié)調(diào)運動及成形頭噴嘴的開閉完成第二條輪廓的擠壓成形，第一條填充輪廓與第二條填充輪廓粘結(jié)，如此反復(fù)，一條條輪廓擠壓成形完成髖關(guān)節(jié)一層的成形制造，接著，計算機把下一層的信息傳遞給控制系統(tǒng)，完成固體氧化物燃料電池第二層的成形制造，重復(fù)上述層片成形過程直至所有層片成形完畢，即可快速制造出髖關(guān)節(jié)模型。用該方法制得的髖關(guān)節(jié)模型內(nèi)部材料梯度變化非常均勻，并且具有很高的硬度和韌性，十分接近真實人體髖關(guān)節(jié)的性能。實施例5與實施例3基本相同。所不同的是，設(shè)置材料信息添加控制軟件中材料添加方式為非線性方式，制得的髖關(guān)節(jié)模型其內(nèi)部材料按非線性規(guī)律呈梯度變化，比按線性方式添加材料信息在硬度和韌性方面分別提高了 20%和19%，提高了髖關(guān)節(jié)模型的性能。實施例6與實施例3基本相同。所不同的是，設(shè)置材料信息添加控制軟件中材料添加方式為線性和非線性相結(jié)合的方式，制得的髖關(guān)節(jié)模型其內(nèi)部擁有更接近于真實人體髖關(guān)節(jié)材料的梯度變化規(guī)律，比只按線性方式或非線性方式添加材料信息在硬度和韌性方面分別提高了 35%和洲％。具有更加接近真實人體髖關(guān)節(jié)模型的性能。
權(quán)利要求
1.一種非均質(zhì)實體的制造方法，該方法基于漿料的微流擠壓與多組分材料按比例的實時混合，采用如下步驟(1)首先由三維CAD軟件設(shè)計出不含任何材料信息的實體模型，然后根據(jù)成形實體的工藝要求，將實體模型按設(shè)計厚度切片分層，得到實體模型每一層的二維層片信息；(2)材料信息添加軟件根據(jù)二維層片內(nèi)填充輪廓對材料組分的要求，控制多組分材料混合擠壓成形頭完成不同材料組分料漿的按配比混合，得到符合填充輪廓要求的材料組分的料漿；在常規(guī)運動控制軟件的控制下，多組分材料混合擠壓成形頭沿X軸和Y軸方向運行，完成實體二維層片內(nèi)一條填充輪廓的擠壓成形；然后，根據(jù)該二維層片內(nèi)下一條填充輪廓對材料組分的要求控制多組分材料混合擠壓成形頭按比例混合各種不同材料組分的料漿，得到該填充輪廓所需材料組分的料漿；依上所述連續(xù)按配比混合不同材料組分料漿，然后擠壓成形，直至完成該二維層片的擠壓成形；使二維層片內(nèi)填充輪廓的材料組分沿設(shè)計方向呈梯度連續(xù)變化；所述多組分材料混合擠壓成形頭主要包括不同材料組分料漿配比系統(tǒng)和靜態(tài)混合系統(tǒng)；(3)在計算機的控制下，使多組分材料混合擠壓成形頭沿Z軸方向運動，向上移動一個實體層片的高度，采用與第(2)步一樣的方法完成實體第二層片的擠壓成形，同時使第一層片與第二層片粘結(jié)成一個整體；(4)重復(fù)第( 和C3)步方法，依次按照所述實體每一層的二維層片信息逐層進行制造，并依次粘結(jié)成一個整體，直至制得所述的非均質(zhì)實體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述非均質(zhì)實體的制造方法，其特征在于所述材料信息添加軟件在二維層片內(nèi)添加材料信息的方式有三種線性方式、非線性方式和線性與非線性相結(jié)合方式。
3.一種非均質(zhì)實體的制造設(shè)備，其特征在于該制造設(shè)備適用于本發(fā)明所述的制造方法，包括三維運動控制平臺、多組分材料混合擠壓成形頭、供氣及氣壓控制裝置和控制系統(tǒng)；所述的三維運動控制平臺包括底板、龍門支架、成形平臺、X向傳動機構(gòu)、X向精密線性模組的滑塊、Y向傳動機構(gòu)、Y向精密線性模組的滑塊、Z向傳動機構(gòu)和Z向精密線性模組的滑塊；所述龍門支架豎直安裝在底板上，成形平臺安裝在Y向精密線性模組的滑塊上，X向傳動機構(gòu)固定在龍門支架上，Z向傳動機構(gòu)固定在X向精密線性模組的滑塊上，Y向傳動機構(gòu)直接固定在底板上；所述多組分材料混合擠壓成形頭包括料腔蓋、供料腔、預(yù)混合儲料腔、靜態(tài)混和器、兩位兩通電磁閥、終料儲料腔、用于連接各元件的連接導(dǎo)管、輸送恒壓氣體的上氣體導(dǎo)管、下氣體導(dǎo)管和噴嘴；所述靜態(tài)混合器包括靜態(tài)混合腔及其內(nèi)部填裝的固體小顆粒；所述多組分材料混合擠壓成形頭安裝在Z向精密線性模組的滑塊上；所述供氣及氣壓控制裝置主要包括氣泵、減壓閥、兩位三通電磁閥和氣體導(dǎo)管；所述的控制系統(tǒng)包括控制裝置、計算機和材料信息添加軟件；控制裝置通過通用擴展槽與計算機相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述非均質(zhì)實體的制造設(shè)備，其特征在于所述多組分材料混合擠壓成形頭是以設(shè)計的厚度、長度和寬度的有機玻璃板為基體，應(yīng)用激光內(nèi)雕刻技術(shù)將供料腔、 料腔蓋、活塞、預(yù)混合儲料腔、靜態(tài)混和腔、終料儲料腔、用于連接各元件的連接導(dǎo)管和輸送恒壓氣體的上、下氣體導(dǎo)管內(nèi)雕刻于所述有機玻璃板基體上，加工成為多組分材料混合擠壓成形一體頭；所述供料腔、預(yù)混合儲料腔、靜態(tài)混和腔和終料儲料腔之間均通過內(nèi)雕刻于有機玻璃板上的導(dǎo)管相連；所述兩位兩通電磁閥均為內(nèi)嵌于所述有機玻璃板內(nèi)；所述供料腔部分外露于有機玻璃板，供料腔外露于有機玻璃基體部分其頂部左右兩側(cè)各帶有一個固定裝置；所述料腔蓋中心帶有一個連接氣體導(dǎo)管用的接口，其左右兩側(cè)各帶有一個與上述供料腔上部固定裝置相互配合使用的固定裝置，所述預(yù)混合儲料腔和終料儲料腔的上部均帶有通入恒壓氣體的氣體導(dǎo)管，通過氣體導(dǎo)管向預(yù)混合儲料腔、靜態(tài)混合器和終料儲料腔內(nèi)料漿提供氣體預(yù)壓力。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述非均質(zhì)實體的制造設(shè)備，其特征在于所述固體小顆粒為金屬或非金屬氧化物，包括二氧化硅、氧化鋁或氧化銅，固體小顆粒直徑為0. 5 2mm ；所述靜態(tài)混合腔內(nèi)裝滿所述的固體小顆粒。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述非均質(zhì)實體的制造設(shè)備，其特征在于所述料腔蓋和活塞均由橡膠材料構(gòu)成；料腔蓋的下部帶有螺紋。
全文摘要
本發(fā)明提供一種非均質(zhì)實體的制造方法及設(shè)備，其制造方法及步驟如下1.首先對成形實體按設(shè)計厚度切片分層，得到實體每一層二維層片信息；2.在應(yīng)用程序控制下，混合擠壓成形頭根據(jù)所述信息要求對供料腔中各種不同材料組分料漿按配比混合，得到制造料漿；3.在CAD軟件的控制下，混合擠壓成形頭完成實體的第一層片制造，使二維層片內(nèi)材料組分沿指定方向呈梯度連續(xù)變化；4.混合擠壓成形頭移動成形實體一個層片的高度，完成實體第二層片成形制造；5.重復(fù)上述方法，逐層進行，直至制得所述非均質(zhì)實體。本發(fā)明制造設(shè)備適用于本發(fā)明所述制造方法，包括三維運動控制平臺、多組分材料混合擠壓成形頭、供氣及氣壓控制裝置和控制系統(tǒng)。
文檔編號B28B3/26GK102350729SQ20111026970
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月13日
發(fā)明者劉志華, 徐安平, 朱東彬, 蔡曉剛 申請人:河北工業(yè)大學(xué)