【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于陶瓷3d打印鋪粉領域和金屬3d打印領域，涉及多材料復合打印領域，特別是涉及結構-功能一體化陶瓷基復合材料增材制造方法與裝置。
技術介紹
1、陶瓷3d打印技術的顯著發展拓寬了陶瓷材料的應用范圍，該技術能夠制造出復雜且精密的幾何結構，提高設計自由度；減少材料浪費，提升生產效率；縮短產品開發周期，快速實現從設計到成品的轉化。此外，陶瓷3d打印還能實現功能集成，如在單一組件中結合多種材料特性，滿足不同領域對高性能陶瓷制品的需求。金屬3d打印技術成為制造業的重要創新力量，該技術能夠快速生產復雜且高精度的金屬部件，減少從設計到生產的時間；提供極大的設計自由度，能夠實現傳統制造難以完成的復雜幾何形狀；減少材料浪費，降低生產成本；增強定制化能力，滿足不同行業對高性能、輕量化和耐用金屬部件的需求。隨著技術的不斷進步，金屬3d打印與陶瓷3d打印在航空航天、醫療、汽車和工業制造等領域展現出廣闊的應用前景，推動了制造業的高效化和創新化。
2、目前，許多關鍵零件需要陶瓷和金屬的結合，以充分利用兩種材料的獨特優勢。例如，醫療領域的人工關節和牙科植入物利用陶瓷的低摩擦和耐磨特性與金屬的強度和穩定性結合；航空航天中的渦輪發動機葉片和熱保護系統將陶瓷的高溫耐受性與金屬的結構支撐相結合；汽車工業中的剎車盤和排氣系統利用陶瓷的耐高溫性和金屬的韌性；電子和電氣領域的電容器和熱電偶則結合陶瓷的電氣特性和金屬的導電性；工業制造中的切削工具和模具通過陶瓷的高硬度和金屬的韌性提升性能；能源領域的燃料電池和核反應堆零件結合了陶瓷的高效電化學性能和金屬的
技術實現思路
1、為解決上述問題，本專利技術公開了結構-功能一體化陶瓷基復合材料增材制造方法與裝置，該裝置由鋪粉機構、粉箱升降機構、精準吸粉落粉機構、可調節激光打印機構和整體支撐控制系統組成，鋪粉機構實現對金屬粉末的鋪設，粉箱升降機構實現層層打印，精準吸粉落粉機構實現根據切片信息對金屬粉末的精準吸取和陶瓷粉末的鋪設，可調節激光打印機構實現根據切片信息進行金屬粉末、陶瓷粉末的激光燒結成形，整體支撐控制系統為其他機構提供支撐和打印方向的運動的控制。鋪粉機構由升降板1、粉箱、自動升降系統1、輥輪、支架1和輥輪支架組成，粉箱固定在成形平臺上，升降板1固定連接自動升降系統1上，并在粉箱內進行上下移動，輥輪兩端固定在輥輪支架上，輥輪支架固定在支架1上，支架1固定安裝在模組1上；粉箱升降機構由粉箱成形平臺、升降板2和自動升降系統2組成，粉箱成形平臺固定在金屬框架上，升降板2固定在自動升降系統2上，并在粉箱成形平臺上進行上下移動；精準吸粉落粉機構由支架2、落粉器、吸粉器、移動支架1、移動支架2、篩網、模組2和模組3組成，支架2固定安裝在模組1上，模組2、模組3固定在支架2上，移動支架1連接落粉器和模組2，落粉器內嵌套有金屬篩網，并通過螺栓外接超聲波振動器，移動支架2連接吸粉器和模組3，吸粉器外接抽負壓裝置；可調節激光打印機構由固定支架、固定板、旋轉氣缸、連接板、激光發生器1和激光發生器2組成，固定支架固定在基礎金屬框架上，固定板固定在固定支架上，旋轉氣缸通過螺栓固定安裝在固定板上，連接板固定在旋轉氣缸上，激光發生器1和激光發生器2固定安裝在連接板上。整體支撐控制系統由基礎金屬框架和模組1組成，模組1固定安裝在基礎金屬框架上。
2、進一步的，所述吸粉機構下表面距離鋪粉表面2mm，吸力控制在能夠吸出陶瓷鋪粉區域的范圍內；
3、進一步的，所述激光發生器1中激光產生的溫度為金屬溶液融化的溫度，激光發生器2中激光產生的溫度為陶瓷粉末融化的溫度，若進行多材料金屬顆粒或陶瓷粉末顆粒融化時需要調節激光發生器產生的溫度；
4、進一步的，所述超聲波振動發生器振動頻率為，篩網網孔大小為，距離鋪粉表面1mm，落粉口尺寸為1mm；
5、結構-功能一體化陶瓷基復合材料增材制造方法，該方法為：根據零部件需求確定陶瓷和金屬區域，對零部件三維模型進行劃分——劃分為金屬區域模型和陶瓷區域模型。對劃分模型進行切片，鋪粉機構進行金屬落粉，通過刮粉機構進行表面平整，再控制吸粉機構對陶瓷打印區域進行吸粉，再控制超聲波振動發生器進進行振動落陶瓷粉末，同時控制激光發生器1根據金屬切片信息、激光發生器2根據陶瓷切片信息進行工作，減少應力產生。重復以上步驟直至整體打印結束；
6、進一步的，在對零件三維模型進行劃分時應設置機械互鎖結構增加界面結合強度，如使用鋸齒狀、波浪形界面或者嵌套結構，進一步提高零件的整體穩固性；
7、進一步的，可以進行多種材料的陶瓷或者金屬粉末進行打印，不同材料的金屬粉末、陶瓷粉末所設置的激光熔融溫度有所不同。兩種材料的粒度接近，產生更好的燒結效果。同時兩種材料的熱膨脹系數應該盡量接近，減少界面處的應力積累；
8、進一步的，在陶瓷區域熔融冷卻成半固態時進行下一次的金屬鋪粉，間隔時間為30~60s。
9、進一步的，吸取的金屬可回收到鋪粉盒中，同時若使用多種材料金屬粉末可分別進行回收；
10、采用上述技術方案后，本專利技術的有益效果是：
11、1、陶瓷與金屬的一體化成形技術可以增強結構完整性、改進熱膨脹匹配、提高耐久性和壽命，以及優化整體性能。
12、2、一體化成形消除了界面弱點，減少了制造步驟和裝配工序，提高了生產效率和精度。這種技術還允許設計復雜幾何形狀，提供更大的設計自由度，同時實現更輕的重量和更高的強度，特別適用于航空航天和汽車工業。
13、3、該方法與裝置精準的控制吸陶瓷粉末和鋪金屬粉末，可以實現根據零件要求實現陶瓷與金屬的有效結合，提高制造服役于復雜惡劣環境下的零件的壽命，進一步推動復雜零部件像3d打印方向發展，促進高端零部件及設備的生產。
14、附圖說明
15、圖1為多材料陶瓷金屬復合成形裝置總體圖；
16、圖2為多材料陶瓷金屬復合成形裝置左視圖；
17、圖3為多材料陶瓷金屬復合成形裝置后視圖；
18、圖4為多材料陶瓷金屬復合成形裝置上視圖；
19、圖5為圖4中a—a處的截圖；
20、圖6為圖5中b處的放大圖；
21、圖7為結構-功能一體化陶瓷基復合材料增材制造方法流程圖；
22、圖8為多材料陶瓷金屬復合成形中金屬與陶瓷結合處所用結構。
23、附圖標記列表：
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1.結構-功能一體化陶瓷基復合材料增材制造裝置，其特征在于：該裝置由鋪粉機構、粉箱升降機構、精準吸粉落粉機構、可調節激光打印機構和整體支撐控制系統組成，粉箱升降機構位于整體支撐控制系統內部，鋪粉機構、精準吸粉落粉機構與可調節激光打印機構位于粉箱升降機構上方且由整體支撐控制系統提供支撐，在鋪粉方向上鋪粉機構、精準吸粉落粉機構和可調節激光打印機構；鋪粉機構實現對金屬粉末的鋪設，粉箱升降機構實現層層打印，精準吸粉落粉機構實現根據切片信息對金屬粉末的精準吸取和陶瓷粉末的鋪設，可調節激光打印機構實現根據切片信息進行金屬粉末、陶瓷粉末的激光燒結成形，整體支撐控制系統為其他機構提供支撐和打印方向的運動的控制；整體支撐控制系統由基礎金屬框架（501）和模組一（502）組成，模組一（502）固定安裝在基礎金屬框架（501）上。
2.根據權利要求1所述的結構-功能一體化陶瓷基復合材料增材制造裝置，其特征在于：鋪粉機構由升降板一（101）、粉箱（102）、自動升降系統一（103）、輥輪（104）、支架一（105）和輥輪支架（106）組成，粉箱（102）固定在成形平臺上，升降板一（101）固
3.根據權利要求1所述的結構-功能一體化陶瓷基復合材料增材制造裝置，其特征在于：粉箱升降機構由粉箱成形平臺（201）、升降板二（202）和自動升降系統二（203）組成，粉箱成形平臺（201）固定在金屬框架上，升降板二（202）固定在自動升降系統二（203）上，并在粉箱成形平臺（201）上進行上下移動。
4.根據權利要求1所述的結構-功能一體化陶瓷基復合材料增材制造裝置，其特征在于：精準吸粉落粉機構由支架二（301）、落粉器（302）、吸粉器（303）、移動支架一（304）、移動支架二（305）、篩網（306）、模組二（307）、模組三（308）組成，支架二（301）固定安裝在模組一（502）上，模組二（307）、模組三（308）固定在支架二（301）上，移動支架一（304）連接落粉器（303）和模組二（307），落粉器（302）內嵌套有金屬篩網，并通過螺栓外接超聲波振動器，移動支架二（305）連接吸粉器（303）和模組三（308），吸粉器（303）外接抽負壓裝置。
5.根據權利要求1所述的結構-功能一體化陶瓷基復合材料增材制造裝置，其特征在于：可調節激光打印機構由固定支架（401）、固定板（402）、旋轉氣缸（403）、連接板（404）、激光發生器一（405）和激光發生器二（406）組成，固定支架（401）固定在基礎金屬框架上，固定板（402）固定在固定支架（401）上，旋轉氣缸（403）通過螺栓固定安裝在固定板（402）上，連接板（404）固定在旋轉氣缸（403）上，激光發生器一（405）和激光發生器二（406）固定安裝在連接板（404）上。
6.根據權利要求書1所述的多材料陶瓷金屬復合成形裝置，其特征在于，吸粉機構下表面距離鋪粉表面2mm，吸力控制在能夠吸出陶瓷鋪粉區域的范圍內；所述激光發生器一中激光產生的溫度為金屬溶液融化的溫度，激光發生器二中激光產生的溫度為陶瓷粉末融化的溫度，若進行多材料金屬顆粒或陶瓷粉末顆粒融化時需要調節激光發生器產生的溫度。
7.根據權利要求書1所述的結構-功能一體化陶瓷基復合材料增材制造裝置，其特征在于，所述超聲波振動發生器為高頻低幅振動，落粉口的寬度尺寸為6mm，其距離鋪粉表面1mm。
8.結構-功能一體化陶瓷基復合材料增材制造方法，其特征在于：包括以下步驟：
9.根據權利要求8所述的結構-功能一體化陶瓷基復合材料增材制造方法，其特征在于：在對零件三維模型進行劃分時應設置機械互鎖結構增加界面結合強度，其中機械互鎖結構采用鋸齒狀或波浪形界面或者嵌套結構。
10.根據權利要求書8所述的結構-功能一體化陶瓷基復合材料增材制造方法，其特征在于，針對步驟3中進行多種材料的陶瓷或者金屬粉末進行打印，不同材料的金屬粉末、陶瓷粉末所設置的激光熔融溫度有所不同；在陶瓷區域熔融冷卻成半固態時進行下一次的金屬鋪粉，間隔時間為30~60s。
...【技術特征摘要】
1.結構-功能一體化陶瓷基復合材料增材制造裝置，其特征在于：該裝置由鋪粉機構、粉箱升降機構、精準吸粉落粉機構、可調節激光打印機構和整體支撐控制系統組成，粉箱升降機構位于整體支撐控制系統內部，鋪粉機構、精準吸粉落粉機構與可調節激光打印機構位于粉箱升降機構上方且由整體支撐控制系統提供支撐，在鋪粉方向上鋪粉機構、精準吸粉落粉機構和可調節激光打印機構；鋪粉機構實現對金屬粉末的鋪設，粉箱升降機構實現層層打印，精準吸粉落粉機構實現根據切片信息對金屬粉末的精準吸取和陶瓷粉末的鋪設，可調節激光打印機構實現根據切片信息進行金屬粉末、陶瓷粉末的激光燒結成形，整體支撐控制系統為其他機構提供支撐和打印方向的運動的控制；整體支撐控制系統由基礎金屬框架（501）和模組一（502）組成，模組一（502）固定安裝在基礎金屬框架（501）上。
2.根據權利要求1所述的結構-功能一體化陶瓷基復合材料增材制造裝置，其特征在于：鋪粉機構由升降板一（101）、粉箱（102）、自動升降系統一（103）、輥輪（104）、支架一（105）和輥輪支架（106）組成，粉箱（102）固定在成形平臺上，升降板一（101）固定連接自動升降系統一（103）上，并在粉箱（102）內進行上下移動，輥輪（104）的兩端固定在輥輪支架（106）上，輥輪支架（106）固定在支架一（105）上，支架一（105）固定安裝在模組一上。
3.根據權利要求1所述的結構-功能一體化陶瓷基復合材料增材制造裝置，其特征在于：粉箱升降機構由粉箱成形平臺（201）、升降板二（202）和自動升降系統二（203）組成，粉箱成形平臺（201）固定在金屬框架上，升降板二（202）固定在自動升降系統二（203）上，并在粉箱成形平臺（201）上進行上下移動。
4.根據權利要求1所述的結構-功能一體化陶瓷基復合材料增材制造裝置，其特征在于：精準吸粉落粉機構由支架二（301）、落粉器（302）、吸粉器（303）、移動支架一（304）、移動支架二（305）、篩網（306）、模組二（307）、模組三（308）組成，支架二（301）固定安裝在模組一（502）上，模組二（307）、模組...
【專利技術屬性】
技術研發人員：楊浩秦，單忠德，胡央央，閆丹丹，時皓銘，陳子宇，
申請(專利權)人：南京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：
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