功能梯度材料成型裝置的製作方法

2023-12-03 09:55:26 1

專利名稱：功能梯度材料成型裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於三維零件增量製造技術領域，涉及一種成型裝置，尤其涉及一種功能梯度材料成型裝置。
背景技術：
功能梯度材料(Functionally Gradient Materials, FGM)是一種集合各種組分(如金屬、陶瓷、纖維、聚合物等)、結構、物性參數和物理、化學、生物等單一或複合性能都呈連續變化，以適應不同環境以及極端情況(如超高溫、大溫差等)，實現某一特殊功能的一類新型複合材料。伴隨著功能梯度材料應用領域的日益擴展，其材料的製造技術也在不斷發展。常規情況下，功能梯度材料的製備方法主要有氣相沉積法(PVD、CVD)、熱噴塗法(等離子、爆炸噴塗、電弧、火焰等)、自蔓延高溫合成法(SHS)、粉末冶金法(PM)、滲透法等。這些方法的共同特點是在高溫下製造梯度材料，成本高，工藝過程複雜。採用有機的或者水基的粘結劑鑄造模具來形成產品，鑄造後，去除粘結劑並燒結得到緻密陶瓷零件，但這種採用模具的方法，其模具設計和加工時間和成本也會隨著零件的幾何複雜性的增加而增加，此外，基於模具的方法不能製造內部的通道和空腔3D零件，並且，現有的三維零件製造技術不能控制整個橫截面多種材料的梯度變化。

發明內容
本發明的目的是提供一種功能梯度材料的成型裝置，解決現有技術存在的成本高、工藝複雜的問題。本發明的目的是這樣實現的，一種功能梯度材料成型裝置，包括儲料器和混料器且通過導管連接，混料器的下端設有噴嘴，儲料器的上端通過活塞杆與力傳感器連接，力傳感器與傳動絲槓接觸連接，傳動絲槓通過電機驅動；儲料器、活塞杆、力傳感器、傳動絲槓和電機構成擠壓裝置，多個擠壓裝置共用一個混料器。本發明還具有如下特點優選三個擠壓裝置共用一個混料器。傳動絲槓外設有套筒，套筒，經安裝座，固結在安裝板，上。力傳感器與活塞杆通過法蘭連接。電機與傳動絲槓通過聯軸器連接。電機固定在箱體上，箱體固定在安裝板上，安裝板固定在工具機上。本發明具有如下有益效果1、本發明設有多個擠壓頭裝置(取決於三維零件的表明梯度材料)和相應的擠出成型結構，利用三軸加工中心的工作檯的聯動，以及現有的數控系統，可實現不同零件的結構成型。2、本發明採用多頭結構的擠壓裝置，能實現從高溫陶瓷逐漸過渡到難熔金屬功能梯度複合材料的三維零件快速沉積成型，超高溫陶瓷到難熔金屬梯度材料可應用於超音速飛機、飛彈彈頭和宇宙飛船的推進器噴嘴；本發明也可以實現從Ti合金到CoCrMo的合金的複合結構，而Ti合金和CoCrMo合金的複合結構可以應用於人體關節的最佳替代品，從Si3N4過渡到W的功能梯度材料，Si3N4過渡到W的功能梯度零件可用於生物領域。3、本發明能提高功能材料的製造效率，大大降低製造成本，解決了現有的功能材料製造過程中成本高，工藝過程複雜，加工周期長等問題。


圖1為本發明功能梯度材料成型裝置結構示意圖。圖中，1.電機、2.箱體、3.聯軸器、4.傳動絲槓、5.套筒、6.安裝座、7.力傳感器、8.法蘭、9.活塞杆、10.工作檯、11.噴嘴、12.混料器、13.第一固定座、14.導管、15.儲料器、16.第二固定座、17.安裝板。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進行詳細說明。本發明提供的功能梯度材料成型裝置，包括儲料器15和混料器12且通過導管14連接，混料器12的下端設有噴嘴11，儲料器15的上端通過活塞杆9與力傳感器7連接，力傳感器 與傳動絲槓4接觸連接,傳動絲槓4通過電機I驅動。傳動絲槓4外設有套筒5。力傳感器7與活塞杆9通過法蘭8連接。電機I與傳動絲槓4通過聯軸器3連接。

電機I固定在箱體2上，箱體2固定在安裝板17上，安裝板17固定在工具機上。儲料器15通過第二固定座16固定在安裝板17上。混料器12通過第一固定座13固定在安裝板17上。儲料器15、活塞杆9、力傳感器7、傳動絲槓4和電機I構成擠壓裝置，多個擠壓裝置共用一個混料器12。優選三個擠壓裝置共用一個混料器12。如圖1所示，一種功能梯度材料成型裝置，包括電機I (三個)、箱體2、聯軸器3 (三頭)、傳動絲槓4、套筒5、安裝座6、力傳感器7、法蘭8、活塞杆9、工作檯10、噴嘴11、混料器12、固定座13、導管14、儲料器15、固定座16、安裝板17。電機I將旋轉力矩經過聯軸器3傳遞給傳動絲槓4，將旋轉運動轉化為傳動絲槓4的直線運行。箱體2用於連結和支撐移動部分，套筒5用於保護傳動絲槓4，該套筒5經由安裝座6固結在安裝板17上。傳動絲槓4和套筒5之間有相對運動，傳動絲槓4下端與力傳感器7接觸，實時獲取擠出力，力傳感器7通過法蘭8和活塞杆9連接起來，擠出力傳遞給活塞杆9，活塞杆9擠壓儲料器15中的配料，通過導管14經混料器12和噴嘴11形成所需的原料，按照數控工具機的事先設計好的數控程序驅動工作檯10和工具機的，擠出成型為所需要的零件毛坯。儲料器15通過第二固定座16、混料器12通過第一固定座13分別固定在安裝板17上。安裝板17將整個的裝置結合在一起，組成功能梯度材料的擠出成型系統。梯度材料的形成主要根據成型材料的配方進行，如從超高溫陶瓷到難熔金屬梯度材料，根據超高溫陶瓷材料加入不同的分散劑、有機物等組成超高溫陶瓷配方成分，而難熔金屬則按照金屬材料的粉末加入適度的分散劑和有機物，介於超高溫陶瓷和難熔金屬材料之間的過渡部分也通過相應的配方放入對應的儲料器中。電機I的動力輸出軸與傳動絲槓4通過聯軸器3相連接。傳動絲槓4外部有套筒5，套筒5通過安裝座6固定在安裝板17上，限制其運動方式只能是沿軸線方向做直線移動，構成了旋轉運動一直線往復運動轉換機構。在聯軸器3外部設置有箱體2，電機I固定在箱體2上，箱體2通過螺母安裝在安裝板17上，安裝板17通過多個螺栓固定在工具機上。本發明的工作過程是整個裝置由電機I提供驅動，通過聯軸器3帶動傳動絲槓
4做旋轉運動,套筒5與傳動絲槓4構成旋轉運動-直線往復運動轉換機構，將旋轉運動
轉變成直線往復運動；直線運動推動活塞杆9對儲料器15中的陶瓷膏狀材料、金屬材料以及過渡材料進行擠壓，多個擠壓裝置中的膏體通過導管14匯聚到儲料器12，材料混合均勻後經由噴嘴11噴出，擠出的直徑由噴嘴大小確定，每種材料的擠出速度由電機I調節，從而達到不同的材料配比，形成功能梯度材料。由力傳感器7採集實時擠壓力，組成閉環控制系統，對擠壓力進行控制，使其保持一定的數值，從而達到一個恆定的擠出率。採用本發明進行快速成型，通過材料的堆積，由工具機的工作檯10移動得到物體的輪廓，分層堆積成型，材料的梯度變化由電機I的速度調節。本發明設有多個擠壓頭裝置(取決於三維零件的表明梯度材料)和相應的擠出成型結構，利用三軸加工中心的工作檯的聯動，以及現有的數控系統，可實現不同零件的結構成型。本發明採用多頭結構的擠壓裝置，能實現從高溫陶瓷逐漸過渡到難熔金屬功能梯度複合材料的三維零件快速沉積成型，超高溫陶瓷到難熔金屬梯度材料可應用於超音速飛機、飛彈彈頭和宇宙飛船的推進器噴嘴；本發明也可以實現從Ti合金到CoCrMo的合金的複合結構，而Ti合金和CoCrMo合金的複合結構可以應用於人體關節的最佳替代品，從Si3N4過渡到W的功能梯度材料，Si3N4過渡到W的功能梯度零件可用於生物領域。本發明能提高功能材料的製造效率，大大降低製造成本，解決了現有的功能材料製造過程中成本高，工藝過程複雜，加工周期長等問題。
權利要求
1.一種功能梯度材料成型裝置，其特徵在於包括儲料器(15)和混料器(12)且通過導管(14)連接，混料器(12)的下端設有噴嘴(11)，儲料器(12)的上端通過活塞杆(9)與力傳感器(7 )連接,力傳感器(7 )與傳動絲槓(4 )接觸連接,傳動絲槓(4 )通過電機(I)驅動；儲料器(15)、活塞杆(9)、力傳感器(7)、傳動絲槓(4)和電機(I)構成擠壓裝置，多個擠壓裝置共用一個混料器(12)。
2.如權利要求1所述的功能梯度材料成型裝置，其特徵在於三個擠壓裝置共用一個混料器(12)。
3.如權利要求1或2所述的功能梯度材料成型裝置，其特徵在於傳動絲槓(4)外設有套筒(5)，套筒(5)經安裝座(6)固結在安裝板(17)上。
4.如權利要求3所述的功能梯度材料成型裝置，其特徵在於力傳感器(7)與活塞杆(9)通過法蘭(8)連接。
5.如權利要求4所述的功能梯度材料成型裝置，其特徵在於電機(I)與傳動絲槓(4)通過聯軸器(3)連接。
6.如權利要求5所述的功能梯度材料成型裝置，其特徵在於電機(I)固定在箱體(2)上，箱體(2)固定在安裝板(17)上，安裝板(17)固定在工具機上。
全文摘要
功能梯度材料成型裝置，包括儲料器和混料器且通過導管連接，混料器的下端設有噴嘴，儲料器的上端通過活塞杆與力傳感器連接，力傳感器與傳動絲槓接觸連接，傳動絲槓通過電機驅動；儲料器、活塞杆、力傳感器、傳動絲槓和電機構成擠壓裝置，多個擠壓裝置共用一個混料器。本發明採用多頭結構的擠壓裝置，能實現從高溫陶瓷逐漸過渡到難熔金屬功能梯度複合材料的三維零件快速沉積成型，也可以實現從Ti合金到CoCrMo的合金的複合結構。本發明提高了功能材料的製造效率，大大降低製造成本，解決了現有的功能材料製造過程中成本高，工藝過程複雜，加工周期長等問題。
文檔編號B22F3/20GK103042218SQ20121052884
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月10日 優先權日2012年12月10日
發明者李淑娟, 劉永, 張恆, 趙智淵 申請人:西安理工大學