[发明专利]多相材料零件的成型方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维结构的零件成型方法，具体说是一种采用微滴喷射方式逐层制作含有多相材料的三维零件的成型方法。

背景技术

含有多相材料的高性能功能零件以其独特的物理、力学性质在军用、航空航天、核工业等领域中应用的功能器件、微型飞行器结构、空间动力系统的载重部件等方面具有广阔的应用前景和价值。

这种多相材料零件的制备若采用传统的化学气相沉积、电解沉积、等离子喷涂等制备方法，由于不能精确控制各材料相的位置，则只能制备形状比较简单的材料模型，不能直接制备具有复杂形状的零件或多零件构成的机构。

美国麻省理工学院提出了采用均匀液滴喷射技术制作多材料金属制件的方法，其原理是使用机械扰动将层流毛细金属射流离散为均匀的金属熔滴，对产生的熔滴进行选择性充电，然后使用高压静电场精确定位金属熔滴，层层堆积成出成型件。该方法能直接沉积金属，为金属零件以及金属基多材料件制备的快速制备提供了一条思路。但只能沉积铝、锌、铜等熔点较低的金属，对于含有非金属材料的零件的成型则无法实现。

现有一种基于离散成形的多材料选择性激光烧结(SLS)设备，可用来制作不连续的多材料原型件；还有一种基于SLS工艺的多材料粉末喷洒设备，用来制造三维功能梯度材料零件；大连理工大学郭东明、贾振元等研究了理想材料零件CAD模型的几何与材料信息的描述、CAD模型的切片算法等，开发了理想材料零件的成型系统，该系统采用螺旋挤压式的连续喷射方式从喷头中挤出熔融的ABS丝制作多功能材料零件；清华大学颜永年、张人佶等研究了多分支、多层结构血管支架和含有非均质多孔贯通结构的人工骨支架等具有梯度功能的生物工程组织的制作；西安交通大学李涤尘等研究了基于光固化快速成形技术制造复杂形状的碳化硅陶瓷构件的成型工艺。

以上这些成型方法或系统虽然还不成熟，尚需进一步完善和发展，但亦为开发新型材料零件制造技术奠定了基础。这些成型方法或系统中，有的成型方法所适用的成型材料非常有限，有的成型方法制作的成型件精度较低，而有的成型速度较慢，对于多相材料零件中的多种材料在空间范围内的精确受控而成型都有其局限性。

发明内容

为了克服现有技术无法成型多种复杂材料成分的多相材料零件的不足，本发明提供一种多相材料零件的成型方法。

本发明解决其技术问题基本技术思路是：根据零件功能要求，通过对STL、VRML、WRL、PLY/ZCP等数据格式的CAD模型进行上色处理，达到零件的几何拓扑形状和材料组织结构的并行设计；对含有结构及材料信息的上色模型进行切片分层，获得一系列彩色切片，并对每层的加工单元所对应的色彩信息和结构信息进行解析，使之与成型信息相对应；在成型过程中，采用三维打印成形工艺，将原料粉末制备成稀悬浮液或配制成复合液体材料，将配制的悬浮液或复合液体材料通过数个、数百个甚至上千个微型喷嘴实现数字化的微滴喷射，从而制得含有多材料的结构件。

通过高分子材料、低熔点合金材料、陶瓷等不同有机和无机物质的巧妙结合而制作出的多相材料零件，将可以广泛应用于宇航工业、机械工程、生物医学工程等领域。

①高分子异质材料零件  可广泛于耐磨功能部件、人工器官、耐腐蚀材料化工设备结构部件等领域，目前已在生物医药材料(如人体植入物)、功能压敏材料(如高分子梯度材料薄膜一面具有压敏粘接性，另一面无粘接性而制成的无载体压敏胶膜)、阻尼材料(如制备沿材料厚度方向呈梯度变化、具有良好阻尼性能的阻尼涂层)等方面开始得到应用。

②陶瓷-低熔点合金功能梯度材料零件  采用含不同比例可热解材料(或其它方法可去除的其它材料)的陶瓷粉末熔液(或溶液)制成预制件，加热除去可热解材料(或其它方法可去除的其它辅助材料)即可得到具有不同气孔密度的陶瓷材料中间件，对中间件进行烧结，然后熔渗低熔点合金后得到最终零件。

③具有不同气孔密度梯度分布的零件  采用含不同比例可热解材料(或其它方法可去除的其它材料)的工件材料的粉末熔液(或溶液)制成预制件，加热除去可热解材料(或其它方法可去除的其它辅助材料)即可得到具有不同气孔密度的中间件，进一步烧结后得到最终零件。

④功能梯度零件  用多个喷头直接喷射液态材料、材料粉末的熔液或溶液成形金属-金属、聚合物-金属、聚合物-磁性粉末和聚合物-聚合物等梯度材料预制件，经相应的后处理工序后得到功能梯度零件。

由于多相材料零件具有提高信息传递精度、缩小尺寸、适应环境、减轻重量等优点，因而也可用于制备微器件、一体化传感器、智能结构等。