CN114713846A - 一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法，包括：获取自然结构的结构特征和微观截面特征，生成异质仿生构件三维模型；根据异质仿生构件的工况特征、功能需求和性能约束条件，选择异质仿生结构模型及异质金属材料；异质仿生结构由具有仿生结构的梯度结构和/或分层结构和/或互锁结构组成；对异质仿生构件三维模型进行有限元分析，生成分层轮廓数据和沉积工作路径；根据分层轮廓数据和沉积工作路径，通过送料装置实时混合和/或切换改变沉积金属材料，逐层进行定向能量沉积成形，制备具有仿生结构的异质仿生构件；本发明具有一体化、可定制、自由度高等特点，可有效控制异质金属之间的连接强度、成形特征、功能特性。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体而言，涉及一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法。
背景技术
天然生物体经过数十亿年的生存竞争和自然选择，其外部构形、内在结构早已进化成近乎完美的系统功能体。通过研究生物系统的关键结构特征，为解决技术难题提供了新的思路，以满足现代工业日益增长的需求。生物体具有特殊材料的物质分布在最需要的功能区域，这是自然界适者生存、优胜劣汰的结果，也是最优的物质结构形式。将仿生结构应用于异质金属构件中，可以为构件带来更多优异的功能特性。
自然界中的结构通常有着异质材料分布、复杂几何形状和多功能集成优化等特性，从制造的角度来看，传统加工技术的能力不足以制造这些复杂的结构配置。增材制造技术不同于传统的去除成形、约束成形方法，其通过三维模型数据，采用材料逐层累加的方式实现结构的制备。这种独特的制造方法可实现复杂结构的自由“生长”成形，极大地提高了设计的自由度，为新型结构及材料的制备提供了强大的工具。增材制造为模拟自然结构的异质材料分布、复杂几何形状和多功能集成优化等特性提供了新的机遇，这些优势使得增材制造技术被广泛地应用于航空航天、医疗器械、轨道交通等各个领域。
发明内容
本发明的目的是通过综合仿生结构设计和增材制造技术，提出了一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法，通过增材制造技术制备异质金属构件，使构件具有传热、吸能、缓冲等多功能性，同时，引入仿生结构进一步赋予构件优异的仿生功能特性，实现材料-结构-性能一体化增材制造。
为了实现上述技术目的，本申请提供了一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法，其特征在于，
获取自然结构的结构特征和微观截面特征，生成异质仿生构件三维模型，异质仿生构件三维模型用于表征自然结构；
基于异质仿生构件的工况特征、功能需求和性能约束条件，选择异质仿生结构模型及异质金属材料；对异质仿生构件三维模型进行有限元分析，包括切片分层处理，生成分层轮廓数据和沉积工作路径；
根据分层轮廓数据和沉积工作路径，通过送料装置实时混合和/或切换改变沉积金属材料，逐层进行定向能量沉积成形，制备具有仿生结构的异质仿生构件。
优选地，工况特征包括高温、高压、强辐射、强腐蚀、大温差等服役环境；
优选地，功能需求是传热、吸能、缓冲、防震、强韧等仿生功能特性；
优选地，性能约束条件则是对功能特性的具体量化要求；
在生成异质仿生构件三维模型的过程中，通过有限元分析对模型进行模拟、分析和校验，生成满足约束条件的异质仿生构件三维模型，其中，若不满足约束条件时，则重新构建异质仿生构件三维模型。
优选地，异质仿生构件三维模型用于表征仿生结构，
异质仿生结构由具有仿生结构的梯度结构和/或分层结构和/或互锁结构组成，
梯度结构用于仿生梯度结构；
分层结构用于仿生分层结构；
互锁结构用于仿生互锁结构；
优选地，异质仿生结构包括用于生成仿生梯度结构、仿生分层结构、仿生互锁结构的第一金属物质和第二金属物质；
第一金属物质和第二金属物质不为同一种物质；
第一金属物质和第二金属物质相互沉积，生成梯度结构和/或分层结构和/或互锁结构。
优选地，在制备异质仿生构件的定向能量沉积增材制造中，异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法用于制备生成具有不同用途的功能构件，包括航空航天用构件、齿轮构件、核电化工构件；
其中，
航空航天构件由钛合金粉末和镍基高温合金粉末组成，在氩气保护氛围下，生成具有仿生梯度结构构件；仿生梯度结构构件的分层处理的层厚度为0.7-1.2mm；钛合金粉末的工艺参数为激光功率1500-1800W，扫描速度500-600mm/min，搭接率为40-50%，送粉速率15-26/min；镍基高温合金粉末的工艺参数为激光功率1500-1800W,扫描速度600-800mm/min,搭接率为40-45%,送粉速率18-20g/min。
齿轮构件由镍基高温合金粉末和稀土粉末组成，在氩气保护氛围下，生成具有仿生分层结构构件；仿生分层结构构件的分层处理的层厚度为0.7-1.2mm；镍基高温合金粉末的工艺参数为激光功率1800-2100W，扫描速度300-400mm/min，搭接率为40-50%，送粉速率6.7-9.2g/min；稀土粉末的工艺参数为激光功率2000-2700mm/min,搭接率为40-45%,送粉速率3.2-4.72g/min。
核电化工构件由不锈钢粉末和镍基高温合金粉末组成，在氩气保护氛围下，生成具有仿生互锁结构构件；核电化工构件的分层处理的层厚度为0.7-1.2mm；不锈钢粉末的工艺参数为激光功率500-800W，扫描速度300-500mm/min，搭接率为40-50%，送粉速率12.8-15.8/min；镍基高温合金粉末的工艺参数为激光功率1500-1800W,扫描速度600-800mm/min,搭接率为40-45%,送粉速率18-20g/min。
与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：
1.针对均质材料制造的构件其性能已难以满足特定功能需求的问题，本发明根据自然结构的结构特征和微观截面特征建立了异质仿生结构模型。
2.该方法结合了异质仿生结构与增材制造技术，为高性能异种金属构件一体化成形提供一种新途径和新方法，具有一体化、可定制、自由度高等特点，有效控制异质金属之间的连接强度、成形特征、功能特性等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述的一体化增材制造方法的流程图；
图2是本发明所述的异质仿生梯度结构示意图；
图3是本发明所述的异质仿生分层结构示意图；
图4是本发明所述的异质仿生互锁结构示意图；
图5是本发明所述的一体化增材制造过程示意图。
具体实施方式
下为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1-5所示，本发明提供了一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法，其特征在于，
获取自然结构的结构特征和微观截面特征，生成异质仿生构件三维模型，异质仿生构件三维模型用于表征自然结构；
基于异质仿生构件的工况特征、功能需求和性能约束条件，选择异质仿生结构模型及异质金属材料；对异质仿生构件三维模型进行有限元分析，包括切片分层处理，生成分层轮廓数据和沉积工作路径；
根据分层轮廓数据和沉积工作路径，通过送料装置实时混合和/或切换改变沉积金属材料，逐层进行定向能量沉积成形，制备具有仿生结构的异质仿生构件。
进一步优选地，工况特征包括高温、高压、强辐射、强腐蚀、大温差等服役环境；
进一步优选地，功能需求是传热、吸能、缓冲、防震、强韧等仿生功能特性；
进一步优选地，性能约束条件则是对功能特性的具体量化要求；
在生成异质仿生构件三维模型的过程中，通过有限元分析对模型进行模拟、分析和校验，生成满足约束条件的异质仿生构件三维模型，其中，若不满足约束条件时，则重新构建异质仿生构件三维模型。
进一步优选地，异质仿生构件三维模型用于表征仿生结构，
异质仿生结构由具有仿生结构的梯度结构和/或分层结构和/或互锁结构组成，梯度结构用于仿生梯度结构；分层结构用于仿生分层结构；互锁结构用于仿生互锁结构；
进一步优选地，异质仿生结构包括用于生成仿生梯度结构、仿生分层结构、仿生互锁结构的第一金属物质和第二金属物质；
第一金属物质和第二金属物质不为同一种物质；
第一金属物质和第二金属物质相互沉积，生成梯度结构和/或分层结构和/或互锁结构。
进一步优选地，在制备异质仿生构件的定向能量沉积增材制造中，异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法用于制备生成具有不同用途的功能构件，包括航空航天用构件、齿轮构件、核电化工构件；
其中，
航空航天构件由钛合金粉末和镍基高温合金粉末组成，在氩气保护氛围下，生成具有仿生梯度结构构件；仿生梯度结构构件的分层处理的层厚度为0.7-1.2mm；钛合金粉末的工艺参数为激光功率1500-1800W，扫描速度500-600mm/min，搭接率为40-50%，送粉速率15-26/min；镍基高温合金粉末的工艺参数为激光功率1500-1800W,扫描速度600-800mm/min,搭接率为40-45%,送粉速率18-20g/min。
齿轮构件由镍基高温合金粉末和稀土粉末组成，在氩气保护氛围下，生成具有仿生分层结构构件；仿生分层结构构件的分层处理的层厚度为0.7-1.2mm；镍基高温合金粉末的工艺参数为激光功率1800-2100W，扫描速度300-400mm/min，搭接率为40-50%，送粉速率6.7-9.2g/min；稀土粉末的工艺参数为激光功率2000-2700mm/min,搭接率为40-45%,送粉速率3.2-4.72g/min。
核电化工构件由不锈钢粉末和镍基高温合金粉末组成，在氩气保护氛围下，生成具有仿生互锁结构构件；核电化工构件的分层处理的层厚度为0.7-1.2mm；不锈钢粉末的工艺参数为激光功率500-800W，扫描速度300-500mm/min，搭接率为40-50%，送粉速率12.8-15.8/min；镍基高温合金粉末的工艺参数为激光功率1500-1800W,扫描速度600-800mm/min,搭接率为40-45%,送粉速率18-20g/min。
实施例1：如图1所示，一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法的流程示意图，本发明主要步骤包括：
1）、获取自然结构的结构特征和微观截面特征并建立异质仿生结构模型，受竹子启发的梯度结构可以使两种材料相结合处的界面模糊或消失，从而得到性能随组成和结构变化而呈梯度变化，避免了性能突变、应力集中、不匹配等问题，其异质仿生梯度结构模型如图2所示；
2）、根据实际的承载环境和工况条件，确定异质金属构件所需的工况特征、功能需求和性能约束条件，对于航空航天用构件，应满足超高温、大温度落差、高速热流冲击等苛刻环境下的工作条件；
3）、根据工况特征、功能需求和性能约束条件，选择异质金属构件仿生结构模型并根据异质金属构件的基底材料、工况特征、功能需求和性能约束条件选择能满足服役性能的异质金属材料，根据航空航天用构件的服役条件，在钛合金基板上制备钛合金Ti6Al4V-镍基高温合金Inconel625构件异质仿生梯度构件；
4）、根据工况特征、功能需求和性能约束条件使用三维软件建立仿生异质构件三维模型并对其可制造性进行优化；使仿生结构变整齐、平滑，以方便后续工作进行；
5）、采用有限元分析软件对仿生异质构件三维模型进行模拟、分析和校验；
6）、对仿生异质构件三维模型进行切片分层处理获得增材制造所需的分层轮廓数据和沉积工作路径；其层厚为0.7-1.2mm；
7）、根据异质金属构件的材料特性、加工工艺要求、分层轮廓数据和沉积工作路径，确定增材制造过程中的能量参数、送料参数、运动参数等，通过送料装置实时混合和/或切换改变沉积金属材料，逐层进行一体化定向能量沉积成形，获得具有仿生结构的异质金属构件。
增材制造过程在氩气保护氛围下进行，打印头为多通道黄铜喷嘴用于输送与热源同轴的金属粉末和高纯度氩气；
钛合金Ti6Al4V粉末的工艺参数为激光功率1500-1800W，扫描速度500-600mm/min，搭接率为40-50%，送粉速率15-26/min；
镍基高温合金Inconel625粉末的工艺参数为激光功率1500-1800W,扫描速度600-800mm/min,搭接率为40-45%,送粉速率18-20g/min；
异质仿生构件一体化增材制造过程示意图，如图5所示；
8）、对一体化异质金属构件进行性能检测、评价及后处理。
实施例2: 一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法的流程示意图，如图1所示，本发明主要步骤包括：
1）、获取自然结构的结构特征和微观截面特征并建立异质仿生结构模型，受贝壳启发的分层结构具有高韧性、高强度等特点，可以实现异质构件整体性能的提升，其异质仿生分层结构模型如图3所示；
2）、根据实际的承载环境和工况条件，确定异质金属构件所需的工况特征、功能需求和性能约束条件，对于齿轮构件，应满足耐磨、耐腐蚀等苛刻环境下的工作条件；
3）、根据工况特征、功能需求和性能约束条件，选择异质金属构件仿生结构模型并根据异质金属构件的基底材料、工况特征、功能需求和性能约束条件选择能满足服役性能的异质金属材料，根据齿轮构件的服役条件，在ZG42CrMoA齿轮钢基板上分层沉积镍基高温合金粉末-增韧稀土粉末制备异质仿生分层构件；
4）、根据工况特征、功能需求和性能约束条件使用三维软件建立仿生异质构件三维模型并对其可制造性进行优化；使仿生结构变整齐、平滑，以方便后续工作进行；
5）、采用有限元分析软件对仿生异质构件三维模型进行模拟、分析和校验；
6）、对仿生异质构件三维模型进行切片分层处理获得增材制造所需的分层轮廓数据和沉积工作路径；其层厚为0.7-1.2mm；
7）、根据异质金属构件的材料特性、加工工艺要求、分层轮廓数据和沉积工作路径，确定增材制造过程中的能量参数、送料参数、运动参数等，通过送料装置实时混合和/或切换改变沉积金属材料，逐层进行一体化定向能量沉积成形，获得具有仿生结构的异质金属构件。
增材制造过程在氩气保护氛围下进行，打印头为多通道黄铜喷嘴用于输送与热源同轴的金属粉末和高纯度氩气；
镍基高温合金粉末的工艺参数为激光功率1800-2100W，扫描速度300-400mm/min，搭接率为40-50%，送粉速率6.7-9.2g/min；
稀土粉末的工艺参数为激光功率2000-2700mm/min,搭接率为40-45%,送粉速率3.2-4.72g/min；
异质仿生构件一体化增材制造过程示意图，如图5所示；
8）、对一体化异质金属构件进行性能检测、评价及后处理。
实施例3：一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法的流程示意图，如图1所示，本发明主要步骤包括：
1）、获取自然结构的结构特征和微观截面特征并建立异质仿生结构模型，受甲虫鞘翅启发的互锁结构可以提高异质构件的韧性、抗冲击性和抗挤压性，其异质仿生互锁结构模型如图4所示；
2）、根据实际的承载环境和工况条件，确定异质金属构件所需的工况特征、功能需求和性能约束条件，对于核电化工构件，应满足耐高温、耐腐蚀等苛刻环境下的工作条件；
3）、根据工况特征、功能需求和性能约束条件，选择异质金属构件仿生结构模型并根据异质金属构件的基底材料、工况特征、功能需求和性能约束条件选择能满足服役性能的异质金属材料，根据核电化工用构件的服役条件，在不锈钢316L基板上制备不锈钢316L-镍基高温合金Inconel625异质仿生互锁构件；
4）、根据工况特征、功能需求和性能约束条件使用三维软件建立仿生异质构件三维模型并对其可制造性进行优化；使仿生结构变整齐、平滑，以方便后续工作进行；
5）、采用有限元分析软件对仿生异质构件三维模型进行模拟、分析和校验；
6）、对仿生异质构件三维模型进行切片分层处理获得增材制造所需的分层轮廓数据和沉积工作路径；其层厚为0.7-1.2mm；
7）、根据异质金属构件的材料特性、加工工艺要求、分层轮廓数据和沉积工作路径，确定增材制造过程中的能量参数、送料参数、运动参数等，通过送料装置实时混合和/或切换改变沉积金属材料，逐层进行一体化定向能量沉积成形，获得具有仿生结构的异质金属构件。
增材制造过程在氩气保护氛围下进行，打印头为多通道黄铜喷嘴用于输送与热源同轴的金属粉末和高纯度氩气；
不锈钢316L的工艺参数为激光功率500-800W，扫描速度300-500mm/min，搭接率为40-50%，送粉速率12.8-15.8/min；
镍基高温合金Inconel625的工艺参数为激光功率1500-1800W,扫描速度600-800mm/min,搭接率为40-45%,送粉速率18-20g/min；
异质仿生构件一体化增材制造过程示意图，如图5所示；
8）、对一体化异质金属构件进行性能检测、评价及后处理。
自然界中的自然结构是由多材料体系构成的非均质物体，有着最优的物质结构形式，异质仿生结构为工程领域关键零部件传热、吸能、缓冲等多功能性提供了新的思路。
本发明包括：获取自然结构的结构特征和微观截面特征并建立异质仿生结构模型；分析异质金属构件工况特征及功能需求；选择异质仿生结构模型及异质金属材料；异质仿生结构由具有仿生结构的梯度结构和/或分层结构和/或互锁结构组成；对异质仿生构件三维模型进行有限元分析，包括切片分层处理，生成分层轮廓数据和沉积工作路径；根据分层轮廓数据和沉积工作路径，通过送料装置实时混合和/或切换改变沉积金属材料，逐层进行定向能量沉积成形，制备具有仿生结构的异质仿生构件。本发明通过仿生原型的优势结构特征设计并制备了优异仿生功能特性和服役性能的异质金属构件，实现了材料-结构-功能的一体化增材制造设计、工艺和制造。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 “上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取自然结构的结构特征和微观截面特征，生成异质仿生构件三维模型，所述异质仿生构件三维模型用于表征所述自然结构；
基于所述异质仿生构件的工况特征、功能需求和性能约束条件，选择异质仿生结构模型及异质金属材料；对所述异质仿生构件三维模型进行有限元分析，包括切片分层处理，生成分层轮廓数据和沉积工作路径；
根据所述分层轮廓数据和沉积工作路径，通过送料装置实时混合和/或切换改变沉积金属材料，逐层进行定向能量沉积成形，制备具有仿生结构的异质仿生构件。
2.根据权利要求1所述一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法，其特征在于：
所述工况特征是高温、高压、强辐射、强腐蚀、大温差等服役环境；所述功能需求是传热、吸能、缓冲、防震、强韧等仿生功能特性中的任何一种；所述性能约束条件则是对功能特性的具体量化要求。
3.根据权利要求1所述一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法，其特征在于：
在生成异质仿生构件三维模型的过程中，通过有限元分析对模型进行模拟、分析和校验，生成满足约束条件的所述异质仿生构件三维模型，其中，若不满足约束条件时，则重新构建所述异质仿生构件三维模型。
4.根据权利要求3所述一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法，其特征在于：
所述异质仿生构件三维模型用于表征仿生结构，其中，异质仿生结构由具有仿生结构的梯度结构和/或分层结构和/或互锁结构组成，所述梯度结构用于仿生梯度结构；所述分层结构用于仿生分层结构；所述互锁结构用于仿生互锁结构。
5.根据权利要求4所述一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法，其特征在于：
所述异质仿生结构包括用于生成所述仿生梯度结构、所述仿生分层结构、所述仿生互锁结构的第一金属物质和第二金属物质；
所述第一金属物质和所述第二金属物质不为同一种物质；
所述第一金属物质和所述第二金属物质相互沉积，生成所述梯度结构和/或所述分层结构和/或所述互锁结构。
6.根据权利要求5所述一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法，其特征在于：
在制备异质仿生构件的定向能量沉积增材制造中，所述异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法用于制备生成具有不同用途的功能构件，包括航空航天用构件、齿轮构件、核电化工构件；
其中，
所述航空航天构件由钛合金粉末和镍基高温合金粉末组成，在氩气保护氛围下，生成具有仿生梯度结构构件；所述仿生梯度结构构件的分层处理的层厚度为0.7-1.2mm；所述钛合金粉末的工艺参数为激光功率1500-1800W，扫描速度500-600mm/min，搭接率为40-50%，送粉速率15-26/min；所述镍基高温合金粉末的工艺参数为激光功率1500-1800W,扫描速度600-800mm/min,搭接率为40-45%,送粉速率18-20g/min；
所述齿轮构件由镍基高温合金粉末和稀土粉末组成，在氩气保护氛围下，生成具有仿生分层结构构件；所述仿生分层结构构件的分层处理的层厚度为0.7-1.2mm；所述镍基高温合金粉末的工艺参数为激光功率1800-2100W，扫描速度300-400mm/min，搭接率为40-50%，送粉速率6.7-9.2g/min；所述稀土粉末的工艺参数为激光功率2000-2700mm/min,搭接率为40-45%,送粉速率3.2-4.72g/min；
所述核电化工构件由不锈钢粉末和镍基高温合金粉末组成，在氩气保护氛围下，生成具有仿生互锁结构构件；所述核电化工构件的分层处理的层厚度为0.7-1.2mm；所述不锈钢粉末的工艺参数为激光功率500-800W，扫描速度300-500mm/min，搭接率为40-50%，送粉速率12.8-15.8/min；所述镍基高温合金粉末的工艺参数为激光功率1500-1800W,扫描速度600-800mm/min,搭接率为40-45%,送粉速率18-20g/min。
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