[发明专利]一种轻量化刚柔耦合异质结构的增材制造方法

说明书

本发明提供了一种轻量化刚柔耦合异质结构的增材制造方法，它包括如下步骤：(一)根据异质结构设计以及材料的相溶性和软硬差别特征，选择增材制造所用的软质材料的原材料和硬质材料的原材料；(二)根据所要增材制造成型的两种异质材料，选择基板材料，然后对所用的基板进行尺寸切割、表面打磨及清洁处理；(三)在基板上分区域增材制造硬质材料和软质材料的结构单元体；(四)用线切割或者机械加工将上述增材制造的具有结构间隙的栅状异质结构从基板上整体取下。该增材制造方法制备过程简单，原材料成本低，制备得到的异质结构具有轻量化、良好的韧性和抗冲击等性能，实现了材料‑结构‑性能一体化设计和制造成型，提高了生产效率。

技术领域

本发明涉及的是一种轻量化刚柔耦合异质结构的增材制造方法，属于异质结构增材制造技术领域。

背景技术

在自然界中，生物为了适应环境，经过亿万年的进化，产生的结构可以同时满足多种组合功能。人类从自然界的生物中研究发现，一大部分的生物材料和结构内部都由软-硬结构构成，如贝壳珍珠层、鱼类鳞片等呈现的软硬相间刚柔耦合结构，使得其具有轻质高强、高韧和抗冲击等优良性能；植物叶片和昆虫翅膀的软质膜和硬质脉等也呈现出刚柔耦合特征，同样具有轻质高强和优良的止裂及抗疲劳功能。近年来，随着科学技术和众多工程领域的发展，以往的单一性材料难以满足不同领域的需求，往往需要材料或结构同时具备高强、高韧、抗疲劳、抗冲击等性能。在生物材料及结构的作用机理的启发下，基于仿生原理，制备同时具备两种材料优点的异质结构，在航空航天、核工业、石油化工、汽车等行业中具有重要的工程意义和广泛的应用前景。传统的异质结构的制造多采用焊接法，但是焊接方法制造异质结构存在一定的加工尺寸及形状等限制。因此，基于仿生结构设计，开发刚柔耦合异质结构的增材制造方法，将为工业领域高性能结构和装备的设计制造提供技术方法，具有重要的实用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种轻量化刚柔耦合异质结构的增材制造方法，该增材制造方法制备过程简单，原材料成本低，制备得到的异质结构具有轻量化、良好的韧性和抗冲击等性能，实现了材料-结构-性能一体化设计和制造成型，提高了生产效率。

本方案是通过如下技术措施来实现的：一种轻量化刚柔耦合异质结构的增材制造方法，它包括如下步骤：

(一)根据异质结构设计以及材料的相溶性和软硬差别特征，选择增材制造所用的软质材料的原材料和硬质材料的原材料；

(二)根据所要增材制造成型的两种异质材料，选择基板材料，然后对所用的基板进行尺寸切割、表面打磨及清洁处理；

(三)在基板上按照如下步骤分区域增材制造硬质材料和软质材料的结构单元体，且纵向区域皆为硬质材料，横向区域皆为软质材料：

(1)按照设计顺序，依次在区域a、区域b和区域c分别增材制造硬质材料；

(2)按照设计顺序，依次在区域d、区域e和区域f和区域g分别增材制造硬质材料；

(3)按照设计顺序，依次在区域h、区域i、区域j、区域k、区域l和区域m分别增材制造软质材料；

(4)按照设计顺序，依次在区域n、区域o、区域p、区域q、区域r、区域s、区域t和区域u分别增材制造软质材料；

(四)用线切割或者机械加工将上述增材制造的具有结构间隙的栅状异质结构从基板上整体取下。

优选的，所述步骤(三)中硬质材料和软质材料的结构单元体按照成型路径进行增材制造，增材制造成型路径可以采用单道沉积、双道沉积或多道沉积。

优选的，当所述软质材料和硬质材料为异质金属时，采用激光沉积增材制造，并采用保护气体对增材制造部位进行保护；当所述软质材料和硬质材料为异质热塑性塑料时，采用熔融沉积增材制造。