一種基于3d打印技術的鋁基點陣材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于3D打印技術的錯基點陣材料設計與制備方法。通過計算機 設計，獲得一定的單胞構型及其拓撲結構，然后利用3D打印技術制備出聚合物點陣模型， 再通過石膏漿料制殼和氣壓滲流方法，獲得與聚合物點陣模型結構完全一致的鋁基（純鋁 或錯合金）點陣材料。
【背景技術】
[0002] 點陣材料是一種由節(jié)點及連接桿單元組成的空間網架類有序多孔材料。與傳統(tǒng) 的金屬泡沫和金屬蜂窩材料相比，以輕金屬為基體的點陣材料具有更高的比強度、比剛度 和單位質量吸能性，尤其是當相對密度較低時，點陣材料具有尤為突出的質量效率和性能 優(yōu)勢，是目前國際上公認的最有前景的超強韌輕質結構材料之一。除了優(yōu)異的力學性能以 外，點陣材料還可以通過基體調整、構型變化或孔隙填充進行功能化設計，使之具備透波、 緩沖、減振、隔熱、防輻射和電磁屏蔽等功能特性。
[0003] 目前，制備三維多層金屬點陣材料的方法主要有熔模鑄造法、焊接法、擠壓法、沖 壓折疊法和編織法等。前者因基體材料靈活、單胞構型多元化以及單胞參數更小等優(yōu)點，被 認為是最有發(fā)展前景的一種方法。但是，這種方法工藝流程較繁瑣，須首先用噴射成型技術 制備單層聚合物點陣模型，然后通過拼裝和焊接的方法構成空間點陣結構，再通過熔模鑄 造工藝形成多層金屬點陣材料。另外，由于單胞和桿單元均比較小，要求液態(tài)金屬的流動性 必須好，這就給基體材料選擇以及材料性能設計帶來了極大困難。
[0004] 總體上看，現(xiàn)有制備方法所能獲得的金屬點陣材料單胞尺度仍然偏大（多IOmm量 級），且構型單一、層級較少，很難滿足眾多行業(yè)特別是航空航天、國防等高技術領域的多樣 化需求。因此，研究新型制備方法，突破單胞小型化、多元化成形的技術瓶頸，在整體強韌性 進一步提高的同時實現(xiàn)某種或多種功能性的改善，使之表現(xiàn)出真正的結構-功能一體化特 性，是本領域的主要發(fā)展趨勢之一。
[0005] 如上所述，熔模鑄造法是最適宜制備小型單胞、復雜構型三維多層金屬點陣材料 的方法之一。該方法之所以過程繁瑣、技術難度大，是因為制備聚合物模型所用噴射成形技 術和熔模鑄造工藝的限制。近年來，3D打印技術取得了迅猛的發(fā)展，已經突破了傳統(tǒng)成形方 法在復雜結構、不同材料和工藝流程上的諸多技術障礙，可一次性打印出包括金屬材料在 內的多種材料組成的復雜結構，成為高效制備精細、復雜、多元結構的最先進的技術之一。 但是，對于基體材料為易氧化的Al、Mg等輕金屬來說，直接通過3D打印成形容易造成基體 內殘留氧化夾雜和縫隙等缺陷，導致其力學性能下降。為克服這一困難，本發(fā)明利用3D打 印技術先獲得低熔點非金屬點陣模型，再通過熔模制殼、壓力滲流制備出金屬點陣材料。由 于金屬液體在壓力下流動、充型和凝固，故可獲得致密、純凈、結合牢固的基體組織，為保證 點陣材料的強韌性提供了重要保障。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明目的在于提供一種基于3D打印技術的鋁基點陣材料設計與制備方法。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下：
[0008] -種基于3D打印技術的鋁基點陣材料，其特征在于：
[0009] 所述點陣材料基體為工業(yè)純鋁或任何鋁合金。
[0010] 所述的一種基于3D打印技術的鋁基點陣材料，其特征在于：
[0011] 所述點陣材料單胞構型為金字塔型、Kagome型及格柵型。
[0012] 所述的一種基于3D打印技術的鋁基點陣材料，其特征在于：
[0013] 其單胞桿單元直徑0. 5~5. 0mm，長度0. 5~15. 0mm，桿單元與投影面夾角30~ 70。。
[0014] 所述的一種基于3D打印技術的鋁基點陣材料，其特征在于：
[0015] 所述點陣材料由一層或一層以上金字塔型、Kagome型及格柵型單胞周期性排列而 成。
[0016] 所述的一種基于3D打印技術的鋁基點陣材料，其特征在于：
[0017] 所述點陣材料包括一層或一層以上周期性排列的金字塔型、Kagome型及格柵型 單胞與致密面板組成的夾芯板復合結構，致密面板為工業(yè)純鋁、鋁合金、鐵合金或高分子材 料。
[0018] 所述的鋁基點陣材料制備方法，其特征在于包括以下步驟：
[0019] (1)構型設計：采用CATIA軟件對點陣材料單胞進行幾何建模和構型設計；
[0020] (2) 3D打?。翰捎酶叻肿臃勰┎牧蠟樵?，在3D打印機上用激光選區(qū)熔化法打印 高分子點陣模型；
[0021] (3)殼型制備：以3D打印的聚合物點陣模型為犧牲模，將石膏基涂料填充點陣模 型的孔隙并將點陣模型完全包覆，然后將涂料烘干、固化并將犧牲模燒除，得到內腔形狀與 聚合物點陣模型完全一致的石膏殼型；
[0022] (4)鋁液滲流：將將上述殼型置于專用模具內，將液態(tài)鋁在氣壓作用下滲入、充滿 殼型內腔，待金屬液凝固后將殼型分離便得到鋁基點陣材料。
[0023] 所述的鋁基點陣材料制備方法，其特征在于：所述的采用CATIA軟件對點陣材料 單胞進行幾何建模和構型設計，包括桿單元直徑、長度、夾角、截面形狀、每層單胞個數和點 陣層數，以及以周期性排列單胞為芯板、以致密板為面板的夾心結構設計。
[0024] 本發(fā)明基于3D打印技術的鋁基點陣材料的制備方法，包括以下步驟：
[0025] (1)構型設計：采用CATIA軟件對點陣材料單胞進行幾何建模和構型設計，包括 桿單元直徑、長度、夾角、截面形狀、每層單胞個數和點陣層數，以及由周期性排列單胞為芯 板、致密板為面板的夾心板設計。
[0026] ⑵3D打?。翰捎酶叻肿臃勰┎牧蠟樵希?D打印機上用激光選區(qū)熔化法打印 出高分子點陣模型。
[0027] (3)殼型制備：以3D打印的聚合物點陣模型為犧牲模，將石膏基涂料填充點陣模 型的孔隙，然后將涂料在70~650°C范圍內烘干、固化并將犧牲模燒除，得到內腔形狀與聚 合物點陣模型完全一致的石膏殼型。
[0028] (4)鋁液滲流：將上述殼型置于專用