專利名稱：基于sls成型的可控非勻質(zhì)材料零件制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及零件制造技術(shù)，尤其是一種非勻質(zhì)材料零件制備方法。
背景技術(shù)：
快速原型(Rapid Prototyping，簡稱RP)技術(shù)20世紀(jì)80年代后期起源于美國，很 快發(fā)展到西歐和日本，是20多年來制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破。快速原型技術(shù)是CAD、數(shù) 控技術(shù)、激光技術(shù)以及材料科學(xué)與工程的技術(shù)集成，它可以自動(dòng)、快速地將設(shè)計(jì)思想物化為 具有一定結(jié)構(gòu)和功能的原型或直接制造零部件，從而可以對產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行快速評價(jià)、修改， 以響應(yīng)市場需求、提高企業(yè)的競爭能力；快速原型技術(shù)的出現(xiàn)，反映了現(xiàn)代制造技術(shù)本身的 發(fā)展趨勢以及激烈的市場競爭對制造技術(shù)發(fā)展的重大影響?？焖僭图夹g(shù)自誕生以來，已發(fā)展了多種技術(shù)，目前比較成熟的快速原型技術(shù)有 以下幾種立體印刷成型、層合實(shí)體制造、熔融沉積造型、選區(qū)激光燒結(jié)。想材料零件(IdealFunctional Material Components，簡稱 IFMC)概念的產(chǎn)生 是仿生學(xué)的又一成果。自然界中的眾多生物體結(jié)構(gòu)經(jīng)過長期的優(yōu)勝劣汰，其功能和結(jié)構(gòu)達(dá) 到了幾乎完美的程度。例如竹子等植物體以非均質(zhì)的形式實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度、低重量的生存要 求；而介觀細(xì)結(jié)構(gòu)的存在使某些動(dòng)物體的骨骼具有負(fù)的泊松比，保證了骨骼的柔韌性要求。 類似這樣，按照零件的最佳使用功能要求來設(shè)計(jì)制造的，由均質(zhì)材料、呈梯度變化的組織成 分、按一定規(guī)律分布的細(xì)結(jié)構(gòu)材料以及嵌入器件構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)材料組織結(jié)構(gòu)和零件性能最佳 組合的零件，就是理想材料零件。它面向具體的力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)等多方面的梯度功能和 智能等性能使用要求，在不同的區(qū)域，結(jié)合預(yù)設(shè)的幾何特征、工藝特性及臨近區(qū)域的材料特 性，從均質(zhì)材料和非均質(zhì)材料中選擇最適合的構(gòu)材。其實(shí)在自然界中，高精度和自組裝的非勻質(zhì)材料非常普遍，梯度結(jié)構(gòu)廣泛的存在 于各種生物和動(dòng)物中。動(dòng)物的骨骼和牙齒是完美的天然非勻質(zhì)材料，骨骼中骨細(xì)胞密度由 內(nèi)向外市逐步增加的，這種海綿質(zhì)向致密質(zhì)逐步變化的梯度結(jié)構(gòu)式骨骼具有堅(jiān)硬結(jié)實(shí)而不 是柔性，具有很好的力學(xué)性能和支撐作用?，F(xiàn)在使用傳統(tǒng)的加工方法是無法加工出這種非 勻質(zhì)變密度的材料的。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有的零件加工技術(shù)無法加工非勻質(zhì)變密度材料零件的不足，本發(fā)明提 供一種能夠加工非勻質(zhì)變密度材料零件、實(shí)用性良好的基于SLS成型的可控非勻質(zhì)材料零 件制備方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
一種基于SLS成型的可控非勻質(zhì)材料零件制備方法，所述非勻質(zhì)材料零件制備方法包 括以下步驟
1)對待加工的非勻質(zhì)材料零件構(gòu)造三維模型；
2)根據(jù)待加工的非勻質(zhì)材料零件的沿著高度方向的燒結(jié)密度分布情況，以及根據(jù)SLS成型機(jī)中預(yù)熱溫度、激光能量與燒結(jié)密度的對應(yīng)曲面，確定待加工的非勻質(zhì)材料零件的加 工高度方向與預(yù)熱溫度、激光能量的變化曲面；
3)將所述三維模型輸入SLS成型機(jī)中，根據(jù)加工高度方向與預(yù)熱溫度、激光能量的變 化曲面進(jìn)行加工控制，依照加工高度依次分層加工得到非勻質(zhì)材料零件。作為優(yōu)選的一種方案所述步驟2)中，所述燒結(jié)密度分布情況呈梯度變化，所述 變化曲線呈梯度變化。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為選區(qū)激光燒結(jié)(Selected Laser Sintering，SLS)是借助 精確引導(dǎo)的激光束使材料粉末燒結(jié)或熔融后凝固形成三維原型或零件。即成型機(jī)按照計(jì)算 機(jī)輸出的原型分層輪廓，采用激光束在指定路徑上有選擇性地掃描并熔融工作臺上很薄且 均勻鋪層的材料粉末。由分層圖形所選擇的掃描區(qū)域內(nèi)的粉末被激光束熔融，連結(jié)在一起， 而未在該區(qū)域內(nèi)的粉末仍然是松散的。當(dāng)一層掃描完畢，向上(或下)移動(dòng)工作臺，控制完成 新一層燒結(jié)。全部燒結(jié)后去掉多余的粉末，再進(jìn)行打磨、烘干等處理便獲得原型或零件。基于SLS成型的非均質(zhì)材料零件設(shè)計(jì)思想和理想材料零件設(shè)計(jì)思想相同，即根據(jù) 零件不同的功能要求，將其劃分為有限個(gè)區(qū)域，各個(gè)區(qū)域中，材料的組分相和體分比都是根 據(jù)需要而連續(xù)變化的；整體上表現(xiàn)出零件材料和功能的非均勻性。由于實(shí)驗(yàn)所使用的SLS 成型機(jī)在加工時(shí)使用的是單一的尼龍材料，其非均勻性的表現(xiàn)是零件不同部位的密度不 同，所以基于SLS成型的非均質(zhì)材料零件是理想材料零件中的變密度材料零件。在SLS成型工藝中，零件成型強(qiáng)度由燒結(jié)密度來決定，燒結(jié)密度不僅與工藝參數(shù) 有關(guān)，而且與零件擺放位置有關(guān)。已做的SLS成型實(shí)驗(yàn)表明，SLS成型工藝方式和燒結(jié)區(qū) 域的預(yù)熱溫度場極大地影響燒結(jié)件的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)(如孔隙率分布和各向尺寸精度 等)，燒結(jié)過程中非均勻的預(yù)熱溫度場影響著不同位置擺放試件的燒結(jié)密度，同時(shí)，燒結(jié)密 度隨著激光功率的增加而增加；因此導(dǎo)致了不同位置試件的強(qiáng)度變化，這就為加工非勻質(zhì) 材料零件提供了可能。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在能夠加工非勻質(zhì)變密度材料零件、實(shí)用性良好。


圖1是SLS成型設(shè)備的加工示意圖。圖2是預(yù)熱溫度_激光功率與零件位置的設(shè)置示意圖。圖3是燒結(jié)密度隨預(yù)熱溫度、激光功率的變化曲面示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。參照圖1 圖3，一種基于SLS成型的可控非勻質(zhì)材料零件制備方法，所述非勻質(zhì) 材料零件制備方法包括以下步驟
1)對待加工的非勻質(zhì)材料零件構(gòu)造三維模型；
2)根據(jù)待加工的非勻質(zhì)材料零件的沿著高度方向的燒結(jié)密度分布情況，以及根據(jù)SLS 成型機(jī)中預(yù)熱溫度、激光能量與燒結(jié)密度的對應(yīng)曲面，確定待加工的非勻質(zhì)材料零件的加 工高度方向與預(yù)熱溫度、激光能量的變化曲面；
3)將所述三維模型輸入SLS成型機(jī)中，根據(jù)加工高度方向與預(yù)熱溫度、激光能量的變化曲面進(jìn)行加工控制，依照加工高度依次分層加工得到非勻質(zhì)材料零件。所述步驟2)中，所述燒結(jié)密度分布情況呈梯度變化，所述變化曲線呈梯度變化。本實(shí)施例中，加工出來的零件是單一材質(zhì)的，零件上各處性能(主要指拉伸強(qiáng)度) 的不同是由于密度不同，而密度不同則是通過調(diào)節(jié)SLS成型機(jī)的粉床預(yù)熱溫度和激光能量 來控制的。本實(shí)施例中，采用的主要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備——美國3D Systems公司生產(chǎn)的 Sinterstation HiQ+HS型選擇性激光燒結(jié)成型機(jī)，參照圖1，1為成型缸，2為供粉缸、3為溢 粉缸、4為待加工的非勻質(zhì)材料零件，5為掃描鏡、6為預(yù)熱裝置、7為光學(xué)系統(tǒng)，8為CO2激光 器.，9為滾筒。參照圖2，零件與預(yù)熱溫度-激光能量在粉床中設(shè)定位置匹配示意圖，隨著激光功 率和預(yù)熱溫度的遞減，零件密度自下而上遞減。參照圖3，燒結(jié)密度隨預(yù)熱溫度和激光功率變化曲面，從圖中可以看出零件燒結(jié) 密度隨著預(yù)熱溫度和激光功率的變化按照一定規(guī)律變化，即依照變化曲面進(jìn)行變化。
權(quán)利要求
1.一種基于SLS成型的可控非勻質(zhì)材料零件制備方法，其特征在于所述非勻質(zhì)材料 零件制備方法包括以下步驟1)對待加工的非勻質(zhì)材料零件構(gòu)造三維模型；2)根據(jù)待加工的非勻質(zhì)材料零件的沿著高度方向的燒結(jié)密度分布情況，以及根據(jù)SLS 成型機(jī)中預(yù)熱溫度、激光能量與燒結(jié)密度的對應(yīng)曲面，確定待加工的非勻質(zhì)材料零件的加 工高度方向與預(yù)熱溫度、激光能量的變化曲面；3)將所述三維模型輸入SLS成型機(jī)中，根據(jù)加工高度方向與預(yù)熱溫度、激光能量的變 化曲面進(jìn)行加工控制，依照加工高度依次分層加工得到非勻質(zhì)材料零件。
2.如權(quán)利要求1所述的基于SLS成型的預(yù)熱溫度可控非勻質(zhì)材料零件制備方法，其特 征在于所述步驟2)中，所述燒結(jié)密度分布情況呈梯度變化，所述變化曲線呈梯度變化。
全文摘要
一種基于SLS成型的可控非勻質(zhì)材料零件制備方法，包括以下步驟1)對待加工的非勻質(zhì)材料零件構(gòu)造三維模型；2)根據(jù)待加工的非勻質(zhì)材料零件的沿著高度方向的燒結(jié)密度分布情況，以及根據(jù)SLS成型機(jī)中預(yù)熱溫度、激光能量與燒結(jié)密度的對應(yīng)曲面，確定待加工的非勻質(zhì)材料零件的加工高度方向與預(yù)熱溫度、激光能量的變化曲面；3)將所述三維模型輸入SLS成型機(jī)中，根據(jù)加工高度方向與預(yù)熱溫度、激光能量的變化曲面進(jìn)行加工控制，依照加工高度依次分層加工得到非勻質(zhì)材料零件。本發(fā)明能夠加工非勻質(zhì)變密度材料零件、實(shí)用性良好。
文檔編號B22F3/105GK102000821SQ20101055123
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月19日
發(fā)明者孫磊, 李文俊, 王春博, 董星濤 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)