[发明专利]一种功能梯度材料的成形方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及材料加工的技术领域，尤其涉及一种功能梯度材料的成形方法及装置。

背景技术

功能梯度材料(Functionally Gradient Materials，FGMs)的概念最先由日本学者新野正之等人于1987年提出，其通过特殊的设计和构造，实现材料的成分和性能缓慢变化，使其满足特定的功能需求。梯度材料不仅保留了普通复合材料的优点，而且还引入了成分和功能梯度化的设计思想，从而克服了传统层状复合材料宏观界面的不利影响，以连续变化的成分梯度代替了突变界面，从而消除了界面物理性能的突变，使热应力降至最低。功能梯度材料的应用已经渗透到国民经济发展的各个领域，尤其是在极端复杂条件下有着广泛的应用前景，如航空航天、能源工程、生物医学、电磁、核工程和光学等高新技术领域表现出梯度结构优越的性能。

由于功能梯度材料中两种(或多种)材料自身的物理化学性能差异较大，因而导致制备时存在困难。目前，制备方法主要有粉末冶金法、等离子喷涂法、激光熔覆法、电沉积法和气相沉积法等。其中，粉末冶金法是最常用的功能梯度材料的制备方法。它较其他方法更为简单且可操作性更强。该方法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形，然后进行烧结，通过调节和控制原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性来获得热应力缓和的功能梯度材料。

然而，上述方法不仅只能用来成形一些结构较简单的功能梯度材料，而无法实现复杂结构件的成形。而且成形过程比较复杂。随着应用需求的拓展，必须寻求一种新型的成形方法以快速成形出复杂结构的功能梯度材料。

发明内容

本发明通过提供一种功能梯度材料的成形方法及装置，实现了简单地成形出复杂结构的功能梯度材料的技术效果。

本发明提供了一种功能梯度材料的成形方法，至少包括：

步骤1：根据预设的每层成分配比，对原料进行混合；

步骤2：对混合后的混合料进行3D打印；

重复所述步骤1和所述步骤2，得到功能梯度材料。

进一步地，在所述得到功能梯度材料之后，还至少包括：

清除所述功能梯度材料表面的浮粉。

进一步地，在所述清除所述功能梯度材料表面的浮粉之后，还至少包括：

采用线切割工艺对所述功能梯度材料进行切割，并对切割后的功能梯度材料进行退火处理。

进一步地，在所述步骤1之前，通过有限元分析方法设计梯度层厚、层数和每层的成分配比；

所述对混合后的混合料进行3D打印，具体包括：基于所述梯度层厚和层数确定3D打印成形参数，对所述混合后的混合料进行3D打印。

本发明提供的功能梯度材料的成形装置，至少包括：处理器、混合设备及3D打印成形设备；所述混合设备的混合料输出端与所述3D打印成形设备的物料输入端贯通连接；所述处理器的信号输出端与所述混合设备、所述3D打印成形设备的信号输入端通讯连接。

进一步地，所述混合设备至少包括：第一下料机构、第二下料机构和混合机构；所述第一下料机构和所述第二下料机构的物料输出端对向所述混合机构的物料输入端；所述混合机构的混合料输出端与所述3D打印成形设备的物料输入端贯通连接；所述处理器的信号输出端与所述第一下料机构、所述第二下料机构、所述混合机构的信号输入端通讯连接。

进一步地，所述3D打印成形设备至少包括：成形室、铺粉机构及激光输出机构；所述铺粉机构设置在所述成形室中；所述混合机构的混合料输出端与所述成形室的物料输入端贯通连接；所述激光输出机构的激光输出端通入所述成形室；所述激光输出机构的信号输入端与所述处理器的信号输出端通讯连接。

进一步地，所述激光输出机构至少包括：激光发射装置、扩束装置、扫描振镜及聚束装置；所述激光发射装置的激光发射端对向所述扫描振镜；所述扩束装置设置在所述激光发射装置与所述扫描振镜之间的光路上；所述扫描振镜的激光输出端通入所述成形室；所述聚束装置设置在所述扫描振镜与所述成形室之间的光路上；所述处理器的信号输出端与所述激光发射装置的信号输入端通讯连接。

进一步地，所述激光输出机构还至少包括：光束隔离装置；所述光束隔离装置设置在所述激光发射装置与所述扩束装置之间的光路上。

进一步地，在所述成形室中有防止物料被氧化的保护气体。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

先对原料进行混合，再对混合后的混合料进行3D打印,从而将复杂的三维加工转变为简单的二维加工，大大降低了复杂零件的成形难度，从而实现了简单地成形出复杂结构的功能梯度材料的技术效果。