一種同質(zhì)功能梯度材料及結(jié)構(gòu)的激光增材制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種同質(zhì)功能梯度材料及結(jié)構(gòu)的激光增材制造方法，該方法包括以下步驟：將不同的功能映射為不同的溫度，將不同的溫度作為邊界條件分別施加在三維模型的不同部位，利用三維有限元方法計算模型的熱傳導(dǎo)方程，獲得內(nèi)部的溫度梯度分布，即模型的溫度場；抽取模型的等溫面獲得具有不同溫度標記的曲面集合；對曲面集合進行切片，得到每層與等溫面的交線輪廓，即平面等溫線；對單層切片進行處理，獲得單層激光參數(shù)呈梯度變化的掃描路徑；重復(fù)步驟直到切片完成獲得模型的激光掃描路徑；將生成的激光掃描路徑輸入到激光3D打印機控制增材制造過程，獲得同質(zhì)功能梯度結(jié)構(gòu)。本方法可以增材制造同質(zhì)的功能梯度材料和結(jié)構(gòu)，這是目前激光增材制造方法無法做到的。
【專利說明】一種同質(zhì)功能梯度材料及結(jié)構(gòu)的激光增材制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光增材制造【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種同質(zhì)功能梯度材料及結(jié)構(gòu)的激光增材制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002]從材料的結(jié)構(gòu)角度來看，功能梯度材料是指選用兩種(或多種)性能不同的材料，通過連續(xù)地改變這兩種(或多種)材料的組成和結(jié)構(gòu)，使其界面消失導(dǎo)致材料的性能隨著材料的組成和結(jié)構(gòu)的變化而緩慢變化。目前，比較典型的功能梯度材料如Ti/A1203由Ti和A1203兩種材料構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)的組分從純金屬Ti端連續(xù)過渡到純陶瓷A1203端，使材料既具有金屬Ti的優(yōu)良性能，又具有A1203陶瓷的良好的耐熱、隔熱、高強及高溫抗氧化性。
[0003]目前,利用激光立體成形技術(shù)(LENS)可以增材制造功能梯度材料和結(jié)構(gòu),然而，目前所有報道的文獻或?qū)＠际抢脙煞N及以上的材料來增材制造功能梯度材料或結(jié)構(gòu)。
[0004]同質(zhì)的金屬或陶瓷材料在應(yīng)用中要求表現(xiàn)出功能呈現(xiàn)梯度變化，即同種材料的金相組織、晶粒大小及取向等根據(jù)功能(如硬度、強度、剛度、密度等)的要求逐步發(fā)生緩慢變化，形成功能梯度結(jié)構(gòu)。實際上，幾乎所有工業(yè)或自然結(jié)構(gòu)都具有這種特質(zhì)，如內(nèi)柔外剛的齒輪，極硬的齒面用于抗擊齒面接觸沖擊應(yīng)力，較軟的齒輪芯部用于緩減齒輪的振動；如骨骼，分布于骨表面高密度骨密質(zhì)具有很強抗壓抗扭曲性，分布于內(nèi)部的低密度骨松質(zhì)存儲骨髓。然而，這類工業(yè)結(jié)構(gòu)通常通過機械加工(減材制造，如車銑刨磨等)后進行特殊熱處理、滲氮、滲碳等才能獲得。這類自然結(jié)構(gòu)是長期進化的產(chǎn)物。
[0005]目前，激光增材制造技術(shù)只能制造出多材料組分的梯度功能材料和結(jié)構(gòu)，或者只能制造出同質(zhì)的、不具有性能漸變的結(jié)構(gòu)。由于激光增材制造技術(shù)具有凈成形或近凈成形的特點，可以制造幾何與拓撲復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因此尋找一種同質(zhì)功能梯度材料及結(jié)構(gòu)的激光增材制造方法具有重要的意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種同質(zhì)功能梯度材料及結(jié)構(gòu)的激光增材制造方法，該方法能夠克服現(xiàn)有激光增材制造技術(shù)無法制造同質(zhì)功能梯度材料及結(jié)構(gòu)的問題。
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0008]一種同質(zhì)功能梯度材料及結(jié)構(gòu)的激光增材制造方法，包括以下步驟:步驟一:將不同的功能映射為不同的溫度，將不同的溫度作為邊界條件分別施加在三維模型SO的不同部位，利用三維有限元方法計算模型SO的熱傳導(dǎo)方程，獲得內(nèi)部的溫度梯度分布，即模型SO的溫度場SI ;步驟二:抽取模型的等溫面獲得具有不同溫度標記的曲面集合S2 ;步驟三:對曲面集合S2進行切片，得到每層與等溫面的交線輪廓，即平面等溫線S3 ;步驟四:對單層切片進行處理，獲得單層激光參數(shù)呈梯度變化的掃描路徑S6 ;步驟五:重復(fù)步驟三和步驟四，直到切片完成獲得模型的激光掃描路徑S7 ;步驟六:將生成的激光掃描路徑輸入到激光3D打印機控制增材制造過程,獲得同質(zhì)功能梯度結(jié)構(gòu)S8。
[0009]進一步，在步驟四中，所述的對單層切片進行處理具體包括以下步驟:1)在平面等溫線S3中抽取相鄰的等溫線構(gòu)造內(nèi)外環(huán)，并在內(nèi)外環(huán)所圍成的區(qū)域成幾何掃描路徑S4 ；
2)對由溫度相同等溫線所圍成的區(qū)域生成的掃描路徑S4賦予相同的激光工藝參數(shù)，獲得激光掃描路徑S5 ；由溫度不同等溫線所圍成的區(qū)域生成的掃描路徑S4賦予不同的激光工藝參數(shù)，即根據(jù)溫度梯度變化調(diào)整激光工藝參數(shù)使得其呈梯度變化，使得其映射的功能也呈梯度變化；3)重復(fù)步驟I)和2)，直到單層平面等溫線處理完畢，獲得單層激光參數(shù)呈梯度變化的掃描路徑S6。
[0010]進一步，所述的材料包括金屬和陶瓷，其中，金屬包括鋼、鋁合金、鈦合金以及高溫合金等，陶瓷包括氧化鋁、氧化鋯、碳化硅等。
[0011]進一步，所述的功能包括硬度、剛度、強度、韌性等。
[0012]進一步，所述的激光增材制造方法包括激光選區(qū)燒結(jié)(SLS)、激光選區(qū)熔融(SLM)以及激光立體成形(LENS);所述的激光參數(shù)包括:激光功率、曝光時間、點距、行距、掃描速度和光斑直徑。
[0013]進一步，所述的激光功率為0.1mff?10kW，曝光時間為0.0Olms?30s，點距為
0.1um ?200um,行距為 0.1um ?400um。
[0014]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明所采用的方法能夠克服現(xiàn)有激光增材制造技術(shù)無法制造同質(zhì)功能梯度材料及結(jié)構(gòu)的問題，可以增材制造同質(zhì)的功能梯度材料和結(jié)構(gòu)，這是目前激光增材制造方法無法做到的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進行說明:
[0016]圖1為本發(fā)明所述方法的流程示意圖。

【具體實施方式】
[0017]下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。
[0018]圖1為本發(fā)明所述方法的流程示意圖，如圖所示，本發(fā)明所述的激光增材制造方法，包括以下步驟:步驟一:將不同的功能映射為不同的溫度，將不同的溫度作為邊界條件分別施加在三維模型SO的不同部位，利用三維有限元方法計算模型SO的熱傳導(dǎo)方程，獲得內(nèi)部的溫度梯度分布，即模型SO的溫度場SI ;步驟二:抽取模型的等溫面獲得具有不同溫度標記的曲面集合S2 ;步驟三:對曲面集合S2進行切片，得到每層與等溫面的交線輪廓，gp平面等溫線S3 ;步驟四:對單層切片進行處理，獲得單層激光參數(shù)呈梯度變化的掃描路徑S6 ;步驟五:重復(fù)步驟三和步驟四，直到切片完成獲得模型的激光掃描路徑S7 ;步驟六:將生成的激光掃描路徑輸入到激光3D打印機控制增材制造過程，獲得同質(zhì)功能梯度結(jié)構(gòu)S8。
[0019]其中，在步驟四中，所述的對單層切片進行處理具體包括以下步驟:1)在平面等溫線S3中抽取相鄰的等溫線構(gòu)造內(nèi)外環(huán)，并在內(nèi)外環(huán)所圍成的區(qū)域成幾何掃描路徑S4 ；2)對由溫度相同等溫線所圍成的區(qū)域生成的掃描路徑S4賦予相同的激光工藝參數(shù)，獲得激光掃描路徑S5 ；由溫度不同等溫線所圍成的區(qū)域生成的掃描路徑S4賦予不同的激光工藝參數(shù)，即根據(jù)溫度梯度變化調(diào)整激光工藝參數(shù)使得其呈梯度變化，使得其映射的功能也呈梯度變化；3)重復(fù)步驟I)和2)，直到單層平面等溫線處理完畢，獲得單層激光參數(shù)呈梯度變化的掃描路徑S6。
[0020]在本實施例中，所述的材料包括金屬和陶瓷，其中，金屬包括鋼、鋁合金、鈦合金以及高溫合金等，陶瓷包括氧化鋁、氧化鋯、碳化硅等。所述的功能包括硬度、剛度、強度、韌性等。所述的激光增材制造方法包括激光選區(qū)燒結(jié)(SLS)、激光選區(qū)熔融(SLM)以及激光立體成形(LENS);所述的激光參數(shù)包括:激光功率、曝光時間、點距、行距、掃描速度和光斑直徑，其中，激光功率為0.1mW?10kW，曝光時間為0.0Olms?30s，點距為0.1um?200um,行距為 0.1um ?400um。
[0021]最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以在形式上和細節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種同質(zhì)功能梯度材料及結(jié)構(gòu)的激光增材制造方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟一:將不同的功能映射為不同的溫度，將不同的溫度作為邊界條件分別施加在三維模型SO的不同部位，利用三維有限元方法計算模型SO的熱傳導(dǎo)方程，獲得內(nèi)部的溫度梯度分布，即模型SO的溫度場SI ； 步驟二:抽取模型的等溫面獲得具有不同溫度標記的曲面集合S2 ； 步驟三:對曲面集合S2進行切片，得到每層與等溫面的交線輪廓，即平面等溫線S3 ； 步驟四:對單層切片進行處理，獲得單層激光參數(shù)呈梯度變化的掃描路徑S6 ； 步驟五:重復(fù)步驟三和步驟四，直到切片完成獲得模型的激光掃描路徑S7 ； 步驟六:將生成的激光掃描路徑輸入到激光3D打印機控制增材制造過程，獲得同質(zhì)功能梯度結(jié)構(gòu)S8。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同質(zhì)功能梯度材料及結(jié)構(gòu)的激光增材制造方法，其特征在于:在步驟四中，所述的對單層切片進行處理具體包括以下步驟: 1)在平面等溫線S3中抽取相鄰的等溫線構(gòu)造內(nèi)外環(huán)，并在內(nèi)外環(huán)所圍成的區(qū)域成幾何掃描路徑S4 ； 2)對由溫度相同等溫線所圍成的區(qū)域生成的掃描路徑S4賦予相同的激光工藝參數(shù)，獲得激光掃描路徑S5 ；由溫度不同等溫線所圍成的區(qū)域生成的掃描路徑S4賦予不同的激光工藝參數(shù)，即根據(jù)溫度梯度變化調(diào)整激光工藝參數(shù)使得其呈梯度變化，使得其映射的功能也呈梯度變化； 3)重復(fù)步驟I)和2)，直到單層平面等溫線處理完畢，獲得單層激光參數(shù)呈梯度變化的掃描路徑S6。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同質(zhì)功能梯度材料及結(jié)構(gòu)的激光增材制造方法，其特征在于:所述的材料包括金屬和陶瓷。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同質(zhì)功能梯度材料及結(jié)構(gòu)的激光增材制造方法，其特征在于:所述的功能包括硬度、剛度、強度、韌性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同質(zhì)功能梯度材料及結(jié)構(gòu)的激光增材制造方法，其特征在于:所述的激光增材制造方法包括激光選區(qū)燒結(jié)、激光選區(qū)熔融以及激光立體成形；所述的激光參數(shù)包括:激光功率、曝光時間、點距、行距、掃描速度和光斑直徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種同質(zhì)功能梯度材料及結(jié)構(gòu)的激光增材制造方法，其特征在于:所述的激光功率為0.1mff?10kW，曝光時間為0.0Olms?30s，點距為0.1um?200um,行距為 0.1um ?400um。
【文檔編號】B22F3/105GK104190930SQ201410436443
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】范樹遷, 段宣明, 王國玉 申請人:中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院