[發(fā)明專(zhuān)利]連續(xù)功能梯度材料和結(jié)構(gòu)一體化制造的3D打印裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110061666.8
• 申請(qǐng)日: 2021-01-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112895441B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-07-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蘭紅波;齊田宇;孫東明;楊建軍;趙佳偉;許權(quán);郭鵬飛;林鑫;馮昌平
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 青島理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B29C64/20
• 分類(lèi)號(hào): B29C64/20;B29C64/118;B29C64/321;B29C64/209;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y40/00
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 武博

本發(fā)明公開(kāi)了連續(xù)功能梯度材料和結(jié)構(gòu)一體化制造的3D打印裝置及方法，其技術(shù)方案為：XYZ三軸模組、用于打印約束犧牲層材料的約束犧牲層打印模塊、用于打印功能梯度材料的被動(dòng)混合打印模塊；約束犧牲層供料模塊連接約束犧牲層供料模塊和正壓氣路，被動(dòng)混合打印模塊連接被動(dòng)混合供料模塊和正壓氣路；被動(dòng)混合打印模塊包括被動(dòng)混合打印噴頭、能夠帶動(dòng)被動(dòng)混合打印噴頭移動(dòng)的氣缸模組I；約束犧牲層打印模塊包括約束犧牲層打印噴頭、能夠帶動(dòng)約束犧牲層打印噴頭移動(dòng)的氣缸模組I I；被動(dòng)混合打印噴頭和約束犧牲層打印噴頭連接高壓直流電源，被動(dòng)混合打印噴頭下方設(shè)置打印平臺(tái)。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)功能梯度材料和復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)一體化低成本和高效率制造。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及增材制造和功能梯度材料/結(jié)構(gòu)制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種連續(xù)功能梯度材料和復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)一體化制造的3D打印裝置及方法。

背景技術(shù)

功能梯度材料(Functionally Gradient Material,簡(jiǎn)稱(chēng)FGM)是指在材料的制備過(guò)程中，采用先進(jìn)的復(fù)合技術(shù)，使材料的微觀(guān)要素(包括材料組分和微觀(guān)結(jié)構(gòu)),在某特定方向上呈連續(xù)(或準(zhǔn)連續(xù))的梯度變化,從而使材料的宏觀(guān)性能也在同一方向上呈連續(xù)(或準(zhǔn)連續(xù))梯度變化的一種非均質(zhì)復(fù)合材料。功能梯度材料的顯著特點(diǎn)是在傳統(tǒng)的復(fù)合材料中加上材料含量配比成梯度變化的中間過(guò)渡層，從而使材料的物理性能呈漸變形式，避免或緩解傳統(tǒng)復(fù)合材料由于物性差異太大而在使用過(guò)程中所產(chǎn)生諸如應(yīng)力集中、開(kāi)裂及剝落等缺陷。此外，功能梯度材料還具有非常好的可設(shè)計(jì)性，通過(guò)有針對(duì)性地改變各組分材料體積含量或者微結(jié)構(gòu)的空間分布，以達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力分布、滿(mǎn)足不同部位對(duì)材料使用性能的要求。作為一種全新的先進(jìn)材料，它既解決了復(fù)合材料的界面應(yīng)力問(wèn)題，同時(shí)又保持了材料的復(fù)合特性，以及性能的裁剪特性和多功能性。由于其優(yōu)異的物化性能，功能梯度材料目前已經(jīng)被應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、核工程、能源、電磁、光學(xué)、柔性電子、可穿戴設(shè)備、軟體機(jī)器人、高電壓等諸多領(lǐng)域和行業(yè)，顯示出廣闊的工程應(yīng)用前景。

根據(jù)功能梯度材料所含有材料成分的不同，功能梯度材料分為：(1)無(wú)機(jī)功能梯度材料，主要包括金屬/陶瓷、金屬/非金屬、金屬/金屬和陶瓷/非金屬等；(2)聚合物功能梯度材料，主要包括高聚物/高聚物、高聚物/陶瓷、高聚物/金屬和高聚物/無(wú)機(jī)填料等，但是目前聚合物功能梯度材料的研究與開(kāi)發(fā)還主要集中在高聚物/高聚物和高聚物/無(wú)機(jī)填料這兩大類(lèi)。聚合物功能梯度材料(PGM)主要指的是基體材料為高分子材料的一類(lèi)功能梯度材料總稱(chēng)，與無(wú)機(jī)功能梯度材料相比，聚合物功能梯度材料具有更為廣泛的工程化應(yīng)用。

據(jù)發(fā)明人了解，功能梯度材料現(xiàn)有的主要制備方法：化學(xué)氣相沉積法、物理蒸鍍法、等離子噴涂法、自蔓延高溫合成法、粉末冶金法、離心成形法、注漿成形法、化學(xué)氣相滲透法和電解析出法等。但是上述這些傳統(tǒng)的制備方法只能用來(lái)制造準(zhǔn)連續(xù)(分層梯度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)功能梯度材料的制備)功能梯度材料，成形的是結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的功能梯度材料和零件，難以實(shí)現(xiàn)兩種以上材料的均勻混合(尤其是基體材料是液體材料，填料是納米材料)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)梯度復(fù)雜形狀零件的成形，尤其是完全無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)功能梯度材料和復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)一體化制造，而且成形過(guò)程復(fù)雜，效率低，成本高。近年出現(xiàn)的增材制造技術(shù)(3D打印)為功能梯度材料和功能梯度結(jié)構(gòu)件的制造提供了一種全新的技術(shù)解決方案，尤其是多材料和多尺度3D打印技術(shù)為連續(xù)功能梯度材料和復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)制件(零件或者產(chǎn)品)一體化制造提供了一種理想的解決方案。