一種金屬基復(fù)合材料的三維打印成形方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種金屬基復(fù)合材料的三維打印成形方法，屬于復(fù)合材料成型【技術(shù)領(lǐng)域】，包括如下步驟：對(duì)金屬基復(fù)合材料零件CAD模型沿Z向進(jìn)行分層，生成零件的截面輪廓信息；根據(jù)截面輪廓信息逐層分別打印液態(tài)金屬和增強(qiáng)材料；完成所有層打印后，經(jīng)過機(jī)加工后完成金屬基復(fù)合材料制備。該方法成形工藝簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，增強(qiáng)材料可按設(shè)計(jì)角度任意取向，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。
【專利說明】一種金屬基復(fù)合材料的三維打印成形方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬基復(fù)合材料的三維打印成形方法，屬于復(fù)合材料成型【技術(shù)領(lǐng)域】。該發(fā)明主要用于制備長(zhǎng)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，制造工藝簡(jiǎn)單，可顯著提高成型質(zhì)量和縮短成型周期。

【背景技術(shù)】
[0002]金屬基復(fù)合材料是以金屬或合金為基體與各種增強(qiáng)材料復(fù)合而制得的復(fù)合材料。相對(duì)與傳統(tǒng)金屬材料，金屬基復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度和比模量。與樹脂基復(fù)合材料相t匕，金屬基復(fù)合材料不燃、耐高溫、抗輻射、不吸潮、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，是優(yōu)良的航空航天用高溫材料，可用作飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)熱區(qū)和超音速飛機(jī)的表面材料。
[0003]目前金屬基復(fù)合材料的制備工藝主要有粉末冶金工藝、擴(kuò)散結(jié)合工藝、擠壓鑄造工藝、真空吸鑄工藝、真空壓力浸潰工藝等。粉末冶金工藝是將金屬粉或合金粉與增強(qiáng)體均與增強(qiáng)材料均與混合后復(fù)合成坯料，再經(jīng)熱擠壓成錠塊，廣泛應(yīng)用于短纖維、顆粒或晶須增強(qiáng)的各種金屬基復(fù)合材料。擴(kuò)散結(jié)合工藝是把纖維與金屬基體制成復(fù)合材料與制片，然后將復(fù)合材料或制片按照設(shè)計(jì)要求切割成型，疊層排布后放入模具內(nèi)，加壓加熱成型，冷卻后脫模。該工藝限于制備形狀簡(jiǎn)單的板材、某些型材和葉片。擠壓鑄造工藝是指在壓力作用下將液態(tài)或半液態(tài)注入到放有增強(qiáng)材料的模具中。該工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，材料的質(zhì)量高且穩(wěn)定，易于工業(yè)化生產(chǎn)，主要應(yīng)用于制備形狀簡(jiǎn)單而性能要求高的復(fù)合鑄件。真空吸鑄工藝是在鑄型內(nèi)形成一定的負(fù)壓，金屬液體自下而上吸入型腔預(yù)制體空隙中并凝固。真空壓力浸滲工藝是在真空和惰性氣體的共同作用下，使熔融金屬滲入預(yù)制體。該工藝綜合了真空吸鑄和壓力鑄造的特點(diǎn)，可制造連續(xù)纖維、短纖維、晶須、顆粒以及混雜增強(qiáng)體的金屬基復(fù)合材料，制品組織致密、無氣孔、縮孔等缺陷。以上金屬基復(fù)合材料成型方法工藝復(fù)雜、界面反應(yīng)控制困難、成本高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有金屬基復(fù)合材料成型方法的不足，本發(fā)明提供了一種金屬基復(fù)合材料的三維打印方法。該方法工藝簡(jiǎn)單，無需模具。采用該方法制備的金屬基復(fù)合材料，具有纖維取向多、纖維連續(xù)、纖維體積分?jǐn)?shù)高、組織致密、缺陷少、整體性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。
[0005]本發(fā)明所述的一種金屬基復(fù)合材料的三維打印成形方法，具體包括以下工藝步驟:
(1)對(duì)金屬基復(fù)合材料零件CAD模型沿Z向進(jìn)行分層，生成零件的截面輪廓信息；
(2)在基臺(tái)上涂抹一層脫模劑；
(3)根據(jù)當(dāng)前層截面輪廓信息及成形零件的設(shè)計(jì)要求，沿一定方向打印液態(tài)金屬，形成金屬溝槽；
(4)將增強(qiáng)材料鋪放在當(dāng)前層打印的金屬溝槽中，再在增強(qiáng)材料上方打印液態(tài)金屬，液態(tài)金屬滲入到增強(qiáng)材料中，并在纖維上方形成新的金屬溝槽， (5)在新形成的金屬溝槽中鋪放增強(qiáng)材料，然后在金屬溝槽中打印液態(tài)金屬，完成一層金屬基復(fù)合材料的三維打印成形；
(6)基臺(tái)下移一定高度，繼續(xù)采用步驟3、4和5進(jìn)行下一層的打?。?br> (7)完成所有層打印后，將金屬基復(fù)合材料從基臺(tái)上取下，經(jīng)過機(jī)加工后完成金屬基復(fù)合材料的制備。
[0006]所述增強(qiáng)材料包括硼纖維紗線、碳纖維紗線、氧化鋁纖維紗線、碳化硅纖維紗線。
[0007]所述金屬包括鋁、鈦、鎳、鎂、銅等及其合金。
[0008]所述增強(qiáng)材料和金屬溝槽可按成形零件的設(shè)計(jì)要求任意角度取向，每層增強(qiáng)材料的種類可按成形零件設(shè)計(jì)要求選擇一種或幾種，每層金屬溝槽的材料種類、尺寸、排布等可按成形零件設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)。
[0009]一層金屬基復(fù)合材料打印完成后基臺(tái)下降的高度為下一層溝槽的高度。
[0010]所述液態(tài)金屬在壓力作用下從打印噴頭末端擠出，沿一定方向打印，形成金屬溝槽。
[0011]所述增強(qiáng)材料在鋪放針的攜帶下鋪放在金屬溝槽內(nèi)。
[0012]所述步驟3、步驟4和步驟5在真空環(huán)境下進(jìn)行。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的金屬基復(fù)合材料的三維打印成形方法具有以下顯著優(yōu)點(diǎn):
(1)增強(qiáng)材料可按設(shè)計(jì)角度任意取向，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)；
(2)增強(qiáng)材料在復(fù)合材料中呈伸直狀態(tài)，最大限度的發(fā)揮了原有的力學(xué)性能；
(3)成形工藝簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明一種金屬基復(fù)合材料的三維打印成形方法中單層復(fù)合材料的側(cè)向結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明一種金屬基復(fù)合材料的三維打印成形方法中90°方向金屬溝槽打印和紗線鋪放示意圖；
附圖標(biāo)記
I一紗線，2—金屬。

【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合具體實(shí)施例及其附圖，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述說明。以下實(shí)施例僅用于說明而不是用于限制本發(fā)明的范圍。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀了本發(fā)明闡述的內(nèi)容后可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣用于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
[0016]實(shí)施例1:該金屬基復(fù)合材料包括0°度方向紗線、45°度方向紗線、90°方向紗線和135°方向紗線，方形截面。紗線均選用12K鍍鎳碳纖維紗線，金屬材料選用鋁。金屬基復(fù)合材料厚度為4mm。
[0017]具體實(shí)施步驟:
(I)對(duì)金屬基復(fù)合材料CAD模型沿Z向進(jìn)行分層，生成截面輪廓信息； (2)在基臺(tái)上涂抹一層脫I旲劑；
(3)根據(jù)截面輪廓信息，在基臺(tái)上沿0°度方向打印液態(tài)金屬，形成金屬溝槽，再將增強(qiáng)材料沿0°度方向鋪放在金屬溝槽內(nèi)，再在增強(qiáng)材料上方沿0°度方向打印液態(tài)金屬，液態(tài)金屬滲入到增強(qiáng)材料中，并形成新的金屬溝槽；再將增強(qiáng)材料沿0°度方向鋪放在新的金屬溝槽內(nèi)，再在增強(qiáng)材料上方0°度方向打印液態(tài)金屬,完成一層金屬基復(fù)合材料的三維打印成形；
(4)基臺(tái)下降移動(dòng)一定距離，打印45°度方向、90°度方向和135°度方向的金屬和紗線.(5)完成所有層打印后，將金屬基復(fù)合材料從基臺(tái)上取下，進(jìn)過機(jī)械加工后完成金屬基復(fù)合材料的制備。
【權(quán)利要求】
1.一種金屬基復(fù)合材料的三維打印成形方法，其具體工藝包括如下步驟:51:對(duì)金屬基復(fù)合材料零件CAD模型沿Z向進(jìn)行分層，生成零件的截面輪廓信息； 52:在基臺(tái)上涂抹一層脫|旲劑； 53:根據(jù)當(dāng)前層截面輪廓信息及成形零件的設(shè)計(jì)要求，沿一定方向打印液態(tài)金屬，形成金屬溝槽； 54:將增強(qiáng)材料鋪放在當(dāng)前層打印的金屬溝槽中，再在增強(qiáng)材料上方打印液態(tài)金屬，液態(tài)金屬滲入到增強(qiáng)材料中，并在纖維上方形成新的金屬溝槽， S5:在新形成的金屬溝槽中鋪放增強(qiáng)材料，然后在金屬溝槽中打印液態(tài)金屬，完成一層金屬基復(fù)合材料的三維打印成形； 56:基臺(tái)下移一定高度，繼續(xù)采用步驟S3、S4和S5進(jìn)行下一層的打??； 57:完成所有層打印后，將金屬基復(fù)合材料從基臺(tái)上取下，經(jīng)過機(jī)加工后完成金屬基復(fù)合材料的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬基復(fù)合材料的三維打印成形方法，其特征在于所述增強(qiáng)材料包括硼纖維紗線、碳纖維紗線、氧化鋁纖維紗線、碳化硅纖維紗線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬基復(fù)合材料的三維打印成形方法，其特征在于所述金屬包括鋁、鈦、鎳、鎂、銅等及其合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬基復(fù)合材料的三維打印成形方法，其特征在于增強(qiáng)材料和金屬溝槽可按成形零件的設(shè)計(jì)要求任意角度取向。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬基復(fù)合材料的三維打印成形方法，其特征在于每層增強(qiáng)材料的種類可按成形零件設(shè)計(jì)要求選擇一種或幾種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬基復(fù)合材料的三維打印成形方法，其特征在于每層金屬溝槽的材料種類、尺寸、排布等可按成形零件設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬基復(fù)合材料的三維打印成形方法，其特征在一層金屬基復(fù)合材料打印完成后基臺(tái)下降的高度為下一層溝槽的高度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬基復(fù)合材料的三維打印成形方法，其特征在于所述液態(tài)金屬在壓力作用下從打印噴頭末端擠出，沿一定方向打印，形成金屬溝槽。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬基復(fù)合材料的三維打印成形方法，其特征在于所述增強(qiáng)材料在鋪放針的攜帶下鋪放在金屬溝槽內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬基復(fù)合材料的三維打印成形方法，其特征在于步驟S3、步驟S4和步驟S5在真空環(huán)境下進(jìn)行。
【文檔編號(hào)】B22F3/115GK104399981SQ201410762730
【公開日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年12月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月14日
【發(fā)明者】單忠德, 張群, 劉豐, 戰(zhàn)麗, 王爭(zhēng), 師有玲 申請(qǐng)人:機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心