一種非均質實體的製造方法及設備的製作方法
2023-05-17 01:56:41 1
專利名稱：一種非均質實體的製造方法及設備的製作方法
技術領域：
本發明屬於先進位造技術，具體為一種非均質實體的製造方法及設備。
背景技術：
隨著科學技術的發展，對各類零件的性能從各方面提出了更高的要求，通常單一 (均質)材料的零件無法滿足各類近乎苛刻的使用條件。日本科學技術廳航空宇航研究所於1987年提出了功能梯度材料(Functionally Graded Materials, FGMs)的概念，即多種材料的組分或結構連續過渡，可同時具備幾種不同材料的優良性能。而傳統的材料製備方法只能形成梯度分布方向單一、結構簡單的實體。快速成形(Rapid Prototyping)技術的出現，實現了製造科學上製造理論的突破，根本有別於傳統的製造方法，比如去除成形、受迫成形，而是基於離散/堆積原理，將三維CAD模型沿一定方向一定厚度離散分解成不連續的層片，得到一系列層片數據。根據各種工藝各自的工藝要求，通過合理的工藝規劃，生成控制成形的運動軌跡。在堆積過程中，成形工具在運動軌跡的控制下，加工出層片，並將新生成的層片與已生成部分堆積、連接，層片生成與堆積連接過程循環往復，直至整個構件加工完成。此技術有望實現非均質(包括不同材料組分的漸變和突變)實體的製造。為了用快速成形技術製造出成形材料或結構沿一定方向梯度變化的非均質實體，J印son等人撰寫的《雷射選擇燒結製造功能梯度材料》(L. Jepson, J. J. Beaman, D. L. Boure 11, and K.L.Wood, 『 SLS Processing of Functional Iy Gradient Materials,，pp. 67-79, in the Proceedings of the 8th Annual SFF Symposium, Edited by D. L. Bourel 1, The University of Texas, Austin, 1997.)介紹了一種多材料選擇性燒結技術(M2SLS),該技術存在梯度過渡不連續的問題；Fessler等人的《形狀沉積法製造金屬功能梯度材料》(J. Fessler, A. Nickel, G. Link, and F. Prinz, 『Functionally Gradient Metallic Prototypes through Shape Deposition Manufacturing,，pp. 521-8 in the Proceedings of the 8th Annual SFF Symposium,Edited by D. L. Bourel1. The University of Texas, Austin, 1997.)文件介紹了的形狀沉積製造方法(Shape Deposition Manufacturing)，和Morvan等人撰寫的《通過透鏡製造非均質調速論》(S. Morvan, G. M. Fadel, J.Love, and D. Keicher, 'Manufacturing of Heterogeneous Flywheel on a LENS Apparatus,，pp. 553-60 in the Proceedings of the 12th Annual SFF Symposium Edited by D. L. Bourel 1. The University of Texas, Austin, 2001.)介紹了雷射工程淨成形(Laser Engineered Net Shaping)等技術。該技術雖然可實現一種材料到另一種材料的連續過渡，但精度較低，距離實際要求有很大差距。申請號為200810053855. 5的中國專利介紹了一種非均質功能構件的製造方法與裝置。該方法採用印表機微噴堆積與雷射掃描燒結相結合的方法，首先對非均質功能構件三維CAD模型分層得到層片數據，利用材料組分分離技術和數字半色調技術，得到層片內不同材料組分的二值化圖像，通過計算機控制系統識別並讀取該二值化圖像信息，用讀取的二值化圖像信息控制列印噴頭噴出一種或一種以上組分材料的列印墨水，同時用雷射頭
4對噴出的墨水進行同步掃描燒結，使墨水反應固化，逐層進行，最終製造出非均質功能構件。雖然用該方法與裝置能夠實現非均質功能構件的製造，但由於該方法所採用的「墨水」 是預先配好並分裝在不同的列印墨盒內，在列印時以按需噴射方式「列印」在指定的位置， 因此「墨水」的變化在宏觀上可以呈現出一定的連續性，但從微觀上看，各種「墨水」尚處於離散式分布，各組分材料之間仍存在明顯的微界面。另外，就現有技術來講，實現對非均質功能構件的建模與分層、使模型和層片數據中都含有材料信息這一技術還不夠成熟，實現過程比較複雜。Jonathan Powell等人撰寫的《用多層陶瓷微管共擠壓製作固體氧化物燃料電池》 (Jonathan Powell and Stuart Blackburn, 'Co-extrusion of Multilayered Ceramic Micro-Tubes for Use as Solid Oxide Fuel Cells,，pp.2859-2870 in the Journal of the European Ceramic Society 30(2010).)介紹了用多種組分材料共擠壓製造管狀固體氧化物燃料電池，通過這種方法將電解質層製作成材料呈梯度變化的多層結構，減小了材料內部力學性能和熱力學參數不匹配帶來的問題。該方法用擠壓成形的方法在一定程度上實現了非均質實體的製造，有效地解決了燃料電池的陽極層和電介質層結合性差的問題。 該技術雖然能實現材料的梯度變化，但只能製造材料梯度變化不明顯的結構，並且成形的梯度變化的層數受到限制，靈活性很差，精度低。
發明內容
針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是，提供一種非均質實體的製造方法及設備。該方法及設備無需通過對非均質實體建模來使模型中含有材料信息，而是通過軟體方式來實現實體中材料信息的添加，且材料信息添加方式靈活；該方法及設備製造的非均質實體，宏觀上，材料呈明顯的梯度變化；微觀上，減少了各組分材料之間的微界面， 可製造出高精度的非均質實體。本發明解決所述製造方法技術問題的技術方案是，設計一種非均質實體的製造方法，該方法基於漿料的微流擠壓與多組分材料按比例實時混合相結合的方法，採用如下步驟(1)首先由三維CAD軟體設計出不含任何材料信息的實體模型，然後根據成形實體的工藝要求，將實體模型按設計厚度切片分層，得到實體模型每一層的二維層片信息；(2)材料信息添加軟體根據二維層片內填充輪廓對材料組分的要求，控制多組分材料混合擠壓成形頭完成不同材料組分料漿的按比例混合，得到符合填充輪廓要求的材料組分的料漿；在常規運動控制軟體的控制下，多組分材料混合擠壓成形頭沿X軸和Y軸方向運行，完成實體二維層片內一條填充輪廓的擠壓成形；然後，根據該二維層片內下一條填充輪廓對材料組分的要求控制多組分材料混合擠壓成形頭按比例混合各種不同材料組分的料漿，得到該填充輪廓所需材料組分的料漿；依上所述連續按比例混合不同材料組分料漿， 然後擠壓成形，直至完成該二維層片的擠壓成形；使二維層片內填充輪廓的材料組分沿設計方向呈梯度連續變化；所述多組分材料混合擠壓成形頭主要包括不同材料組分料漿配比系統和靜態混合系統；(3)在計算機的控制下，使多組分材料混合擠壓成形頭沿Z軸方向運動，向上移動一個實體層片的高度，採用與第(2)步一樣的方法完成實體第二層片的擠壓成形，同時使第一層片與第二層片粘結成一個整體；(4)重複第( 和(3)步方法，依次按照所述實體每一層的二維層片信息逐層進行製造，並依次粘結成一個整體，直至製得所述的非均質實體。本發明解決所述製造設備技術問題的技術方案是，設計一種非均質實體的製造設備，其特徵在於該製造設備適用於本發明所述的製造方法，包括三維運動控制平臺、多組分材料混合擠壓成形頭、供氣及氣壓控制裝置和控制系統；所述的三維運動控制平臺包括底板、龍門支架、成形平臺、X向傳動機構、X向精密線性模組的滑塊、Y向傳動機構、Y向精密線性模組的滑塊、Z向傳動機構和Z向精密線性模組的滑塊；所述龍門支架豎直安裝在底板上，成形平臺安裝在Y向精密線性模組的滑塊上，X向傳動機構固定在龍門支架上，Z向傳動機構固定在X向精密線性模組的滑塊上，Y向傳動機構直接固定在底板上；所述多組分材料混合擠壓成形頭包括料腔蓋、供料腔、預混合儲料腔、靜態混和器、兩位兩通電磁閥、終料儲料腔、用於連接各元件的連接導管、輸送恆壓氣體的上氣體導管、下氣體導管和噴嘴；所述靜態混合器包括靜態混合腔及其內部填裝的固體小顆粒；所述多組分材料混合擠壓成形頭安裝在Z向精密線性模組的滑塊上；所述供氣及氣壓控制裝置主要包括氣泵、減壓閥、兩位三通電磁閥和氣體導管；所述的控制系統包括控制裝置、計算機和材料信息添加軟體；控制裝置通過通用擴展槽與計算機相連接。與現有技術相比，本發明製造方法和設備基於漿料的微流擠壓與多組分材料按比例實時混合相結合的方法，可根據成形實體二維層片內填充輪廓的材料組分要求實現材料組分的實時按比例混合及複雜形狀的非均質實體的製造，工藝過程和製造設備簡單，材料添加方式靈活，成形精度高；而且在成形過程中能很方便的給成形實體添加支撐材料，很好的解決了成形實體內部和表面變形或塌陷等問題。
圖1為本發明非均質實體的製造方法及設備一種實施例的成形過程流程示意圖；圖2為本發明非均質實體的製造設備一種實施例的總體結構示意圖；圖3為本發明非均質實體的製造設備一種實施例採用的多組分材料混合擠壓成形頭的整體外觀示意圖圖4為本發明非均質實體的製造設備一種實施例採用的多組分材料混合擠壓成形頭的局部結構示意圖其中，圖4(a)為供料腔上部的料腔蓋的剖面結構示意圖；圖4(b) 為供料腔腔口結構示意圖；圖5為本發明非均質實體的製造設備一種實施例採用的多組分材料混合擠壓成形頭的內部剖面結構示意圖圖6為本發明非均質實體的製造設備一種實施例採用的多組分材料混合擠壓成形頭的局部結構示意圖其中，圖6(a)為靜態混合腔內固體小顆粒的截面放大圖；圖6(b) 為供料腔內活塞的剖面結構示意圖；圖7為本發明非均質實體的製造方法及設備一種實施例的材料信息添加軟體程序流程圖。
具體實施例方式下面結合實施例和其附圖對本發明作進一步說明，實施例是以本發明技術方案為前提下進行的一種實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本申請權利要求不受限於實施例。本發明設計的非均質實體的製造方法(簡稱製造方法，參見圖1)基於漿料微流擠壓與多組分材料實時按比例混合相結合的方法，採用如下步驟(1)首先由三維CAD軟體設計出不含任何材料信息的實體模型，然後根據成形實體的工藝要求，將實體模型按設計厚度切片分層，得到實體每一層的二維層片信息。所述三維CAD實體模型中不含有任何材料組分信息，用其分層得到的層片數據也不含有任何材料組分信息，實體中材料信息是在二維層片成形過程中，通過專門軟體沿設計指定的梯度方向添加的；所述二維層片內任意一條填充輪廓的材料組分均是均勻的，但二維層片內不同填充輪廓的材料組分可以不同，最終使二維層片內的材料呈梯度(包括線性、非線性或線性與非線性相結合)變化。(2)材料信息添加軟體根據二維層片內填充輪廓對材料組分的要求，控制多組分材料混合擠壓成形頭完成不同材料組分料漿的按比例配料混合，得到符合填充輪廓要求的材料組分的料漿；在常規運動控制軟體的控制下，多組分材料混合擠壓成形頭沿X軸和Y軸方向運行，完成實體二維層片內一條填充輪廓的擠壓成形；然後，根據該二維層片內下一條填充輪廓對材料組分的要求控制多組分材料混合擠壓成形頭按比例混合各種不同材料組分的料漿，得到該填充輪廓所需材料組分的料漿，如此連續按比例配料混合不同材料組分料漿然後擠壓成形，直至完成該二維層片的擠壓成形；使二維層片內填充輪廓的材料組分沿設計指定的方向呈梯度連續變化。所述實體成形用料漿在密閉容器內為液態，且粘度較低，流動性好，該料漿與空氣接觸時，能迅速凝固，且有一定的黏性。(3)在計算機的控制下，使多組分材料混合擠壓成形頭沿Z軸方向運動，向上移動一個實體層片的高度，採用與第(2)步一樣的方法完成實體第二層片的擠壓成形，同時使第一層片與第二層片粘結成一個整體。(4)重複第(2)和(3)步方法，依次按照所述實體每一層的二維層片信息逐層進行，並依次粘結成一個整體，直至製得所述的非均質實體。本發明製造方法的創新點之一是採用了一種新型的靜態混合技術。該靜態混合技術採用固體小顆粒作為混合元件，一方面可得到很好的混合效果，另一方面可通過改變固體小顆粒的大小控制料漿混合的均勻程度；同時成形料漿在內部氣體預壓力的作用下，能快速通過靜態混合器，減少了混合產生的時間滯後，靈活性高，使用方便。與傳統的靜態混合技術相比，本發明靜態混合技術更適合用於混合微量料漿；與動態混合技術相比，本發明靜態混合技術降低了硬體成本，避免了動態混合時產生的噪聲，而且，該靜態混合技術使用的靜態混合器的成本低，結構簡單，便於操作，可以用於各種材料組分料漿的混合，更具有普遍適用性。本發明製造方法的創新點之二是，實體的材料信息添加是通過專門軟體即材料信息添加軟體來實現的。實體材料信息添加軟體是以二維層片內填充輪廓為基本單元，層片內任意一條填充輪廓的材料組分均是均勻的，二維層片內各條填充輪廓的材料組分互不相同，這樣在二維層片內以填充輪廓為基本單元的材料呈梯度變化。材料信息添加軟體在二維層片內添加材料信息的方式有三種線性方式、非線性方式和線性與非線性相結合方式。 線性方式是二維層片內填充輪廓的材料組分沿設計指定方向呈線性變化，非線性方式是二維層片內填充輪廓的材料組分沿設計指定方向呈非線性變化，線性與非線性相結合的方式是根據二維層片內材料梯度變化的要求或實體內部對材料性能的要求，材料沿設計指定方向呈線性與非線性相結合的方式變化。這三種材料信息添加方式主要根據成形實體性能要求來選擇。本發明同時設計了所述非均質實體的製造設備(簡稱製造設備，參見圖2、3、4、5 和6)，其特徵在於該製造設備適用於本發明所述非均質實體的製造方法，包括三維運動控制平臺1、多組分材料混合擠壓成形頭2、供氣及氣壓控制裝置3和控制系統；所述的三維運動控制平臺包括底板11、龍門支架12、成形平臺13、X向傳動機構14、X向精密線性模組的滑塊15、Y向傳動機構16、Υ向精密線性模組的滑塊17、Ζ向傳動機構18和Z向精密線性模組的滑塊19 ；所述龍門支架12豎直安裝在底板11上，成形平臺13安裝在Y向精密線性模組的滑塊17上，可使成形平臺13沿Y方向移動；X向傳動機構14固定在龍門支架12上， Z向傳動機構18固定在X向精密線性模組的滑塊15上，Y向傳動機構16直接固定在底板 11上；所述的X向傳動機構14、Y向傳動機構16和Z向傳動機構18均由伺服電機和精密線性模組構成；所述的X向精密線性模組、Y向精密線性模組和Z向精密線性模組是採用直線導軌和滾珠絲槓為執行元件的結構；本發明設計的多組分材料混合擠壓成形頭2 (簡稱成形頭，參見圖幻包括料腔蓋21、供料腔29、預混合儲料腔217、靜態混合腔216、固體小顆粒218 (參見圖6 (a))、兩位兩通電磁閥010、219、2沈、211、215和213)、終料儲料腔214、用於連接各元件的連接導管O20、221、222、223、225和227)、輸送恆壓氣體的上氣體導管224、下氣體導管212及噴嘴沈，其中預混合儲料腔217與靜態混合腔216結構相同，但功能不同預混合儲料腔217 用於存儲按比例配比好的不同材料組分料漿，靜態混合腔216和其內部填裝的固體小顆粒 218共同構成靜態混合器016和218)，固體小顆粒218可起到混合均勻作用，有助於實現料漿的均勻混合；所述固體小顆粒218的體積越大，料漿混合效果越不明顯，體積越小，料漿混合效果越明顯。本發明中所述固體小顆粒為金屬或非金屬氧化物，包括二氧化矽、氧化鋁或氧化銅等，小顆粒直徑為0. 5 2mm ；所述靜態混合腔內裝滿所述固體小顆粒。所述料腔蓋21 (參見圖4(a))上部帶氣孔22和料腔蓋固定裝置23，所述供料腔四內安裝活塞 28 (參見圖6 (b))，供料腔四上部帶有固定裝置24 (參見圖4 (b))，並且與料腔蓋21上的固定裝置23互相配合，實現料腔蓋21的固定。所述料腔蓋21由橡膠材料構成，實施例為白色橡膠。料腔蓋21的下部帶有螺紋，該螺紋能增大料腔蓋21與供料腔四之間的結合力和氣密性；所述活塞觀由橡膠材料構成，實施例為白色橡膠。本發明設計的成形頭2的進一步特徵是，所述成形頭2是以設計厚度、長度和寬度的有機玻璃板為基體，應用雷射內雕刻技術將供料腔四、預混合儲料腔217、靜態混合腔 216、終料儲料腔214、連接各元件的連接導管O20、221、222、223、225和227)、上氣體導管 212和下氣體導管224等零部件內雕刻於所述有機玻璃板基體上加工成的多組分材料混合擠壓成形一體頭，所述預混合儲料腔217上部有可以通入恆壓氣體的上氣體導管224，所述終料儲料腔214的上部有可以通入恆壓氣體的下氣體導管212，通過上氣體導管2Μ和下氣體導管212分別向預混合儲料腔217和終料儲料腔214內料漿提供氣體預壓力；供料腔四與預混合儲料腔217用連接導管220、221和225分別相連，並用兩位兩通電磁閥2沈、219 和210分別控制連接導管220、221和225的通斷，預混合儲料腔217與靜態混合腔216用連接導管222相連，並用兩位兩通電磁閥211控制連接導管222的通斷，靜態混合腔216與終料儲料腔214用連接導管227相連，並用兩位兩通電磁閥215控制連接導管227的通斷， 終料儲料腔214與外部噴嘴沈用連接導管223相連，並用兩位兩通電磁閥213控制連接導管223的通斷。所述兩位兩通電磁閥010、219、2沈、211、215和213)均內嵌於所述有機玻璃板內；當需要用更多種不同材料組分料漿製造非均質實體時，可以用增加供料腔四的個數來實現(本實施例為B、C和D三個)，其它結構不變。本發明成形頭2由於全部為透明的有機玻璃材料，因此可以看見成形過程中材料的狀態變化，及時發現成形過程中產生的問題，實現了對非均質實體成形過程的可視化。成形頭2安裝在Z向精密線性模組的滑塊19上，可以沿X、Z方向移動；成形頭2主要完成各種不同材料組分料漿的按比例配料混合及料漿的擠壓。本發明所述供氣及氣壓控制裝置包括氣體導管依次連接的氣泵32、減壓閥31和兩位三通電磁閥33。本發明所述控制系統包括控制裝置41和計算機42及材料信息添加軟體；控制裝置41通過計算機42的通用擴展槽與計算機42相連接；材料信息添加軟體配裝在計算機42 內。本發明所述控制裝置41是設備的控制中心，實施例是由各個分立器件構成的控制櫃；計算機42主要負責給出控制系統具體的控制算法，控制系統的管理、程序相關參數的設定、系統狀態的顯示、控制系統數據的採集、各種開關信號和反饋信號的處理等工作， 並由控制裝置41來完成控制信號的輸出。本發明所述的多組分材料混合擠壓成形頭2安裝在Z向精密線性模組的滑塊19 上，可以沿X、Z方向移動；成形平臺13安裝在Y向精密線性模組的滑塊17上，可以沿Y方向移動；通過多組分材料混合擠壓成形頭2與成形平臺13的運動配合，可順利完成非均質實體的製造。本發明中的成形頭2能夠將多種不同材料組分料漿實時按比例混合得到實體成形所需料漿，其中供料腔B、供料腔C和供料腔D內分別裝有不同材料組分的一種料漿，為實體成形提供原料漿。所述料腔蓋21中間帶有氣孔22，在實體成形過程中，通過氣孔23 分別向供料腔B、供料腔C和供料腔D內通入恆壓氣體。所述恆壓氣體通過活塞觀(參見圖6(b))對料漿施加恆定的氣體預壓力，使供料腔(B、C和D)內的料漿能快速的進入預混合儲料腔217中，從而使各種不同材料組分的料漿在預混合儲料腔217內實現預混合。在實體成形過程中，通過控制電磁閥210、電磁閥2 和電磁閥219的開閉時間，實現對供料腔B、供料腔C和供料腔D內料漿供料量的控制；進入預混合儲料腔217的料漿在經氣體導管2M通入的恆定氣體產生的氣體預壓力的作用下快速通過由電磁閥211控制的連接導管 222進入裝滿固體小顆粒218的靜態混合腔216，實現各種不同材料組分料漿的均勻混合。 經混合均勻後的料漿最後經由電磁閥215控制的連接導管227流入終料儲料腔214，準備成形使用。當實體成形開始後，通過控制電磁閥213的開閉時間，並在經氣體導管212中通入的恆壓氣體預壓力的作用下，實現實體的擠壓成形。本發明製造方法創新性提出了一種用軟體控制成形設備添加材料信息來製造非均質實體的製造方法。為了實現不同材料組分料漿能夠按比例配料，本發明採用了兩位兩通電磁閥Ο10、219和216)作為料漿流量的控制元件。該兩位兩通電磁閥Ο10、219和216) 為脈衝控制電磁閥，電磁閥脈衝響應頻率應與控制系統脈衝發生頻率相匹配，根據各種不同材料組分料漿的粘度的不同可得出不同材料組分料漿在相同氣體預壓力下的流量值。成形製造過程中，計算機控制系統發送脈衝控制信號給兩位兩通電磁閥Ο10、219和216)，兩位兩通電磁閥Ο10、219和216)接到高電平時打開，根據料漿的流量，計算一定量的料漿流入預混合儲料腔217的時間，通過軟體控制兩位兩通電磁閥開關Q10、219和216)的開閉時間完成料漿的按比例配料。供料腔四中通入恆定壓力的氣體，為料漿按比例配料提供氣體預壓力。所述氣體由氣泵32產生，經過減壓閥31的控制轉換成恆壓氣體。預混合儲料腔217中的氣體預壓力使預混合儲料腔217中料漿加快通過靜態混合器的速度，減少混合時間和此過程造成的成形滯後時間，終料儲料腔214中的氣體預壓力為混合均勻的料漿由噴嘴26擠出成形提供氣體預壓力，預混合儲料腔217和終料儲料腔214中通入的氣體均由兩位三通電磁閥33控制。該電磁閥33為常閉型兩位三通電磁閥，未通電時，是關閉狀態。 預混合儲料腔217與終料儲料腔214通過三通電磁閥33的排氣孔與外界相通，使內外氣壓相等，料漿能夠更容易的流入預混合儲料腔217和終料儲料腔214。在製造非均質實體過程中，本發明製造方法和設備採用所述材料信息添加軟體添加材料信息的方法如下(參見圖7)(1)首先按照由內向外或由外向內的添加順序，讀取第一個層片中的填充輪廓信息並對層變量賦值N=I;(2)選擇材料信息添加方式線性方式、非線性方式或線性與非線性相結合的方式，根據所選擇的材料信息添加方式和由內向外或由外向內的添加順序，確定各種不同材料組分料漿佔每條填充輪廓總料漿的體積分數，並將所佔的體積分數存儲在鍊表中；(3)層片內填充輪廓是由一系列二維坐標點首尾相接形成，結合成形用噴嘴直徑依次循環求得每條填充輪廓的體積，根據各種不同材料組分料漿佔每條填充輪廓總料漿的體積分數和每條填充輪廓的體積，計算求得每條填充輪廓中各種不同材料組分料漿在填充輪廓中所佔實際體積；(4)當氣體預壓力、料漿粘度和流道直徑一定時，求得各種不同材料組分料漿的流量值，根據各種材料組分料漿的流量值及它們在填充輪廓中所佔的體積將體積值轉換為時間值，並將該值存儲在鍊表中，該時間值作為控制電磁閥打開的控制時間控制料漿的按比例配比，實現材料信息的添加；(5)當完成第一層片材料信息添加以後，程序詢問是否是最後一層？如果「否」，則返回步驟O)並對層變量賦值N = N+1 ；如果「是」，則完成工作。本發明未述及之處適用於現有技術。下面根據本發明的技術方案給出具體實施例。本發明權利要求不受實施例的限制實施例1採用本發明所述的製造方法及設備製造長50mm，直徑3mm的固體氧化物燃料電池。設置材料信息添加控制軟體中材料添加方式為線性方式，噴嘴直徑100 μ m。其過程如下
首先運用三維CAD軟體設計出固體氧化物燃料電池三維實體模型(參見圖1)，然後根據產品設計工藝要求，將其按設計層厚進行切片分層，層數為500，每一層的切片厚度為100 μ m，計算機連續讀取二維層片信息，控制軟體根據材料信息添加方式，通過控制成形頭2內兩位兩通電磁閥210的開閉時間實現各種不同材料組分料漿按比例配料後流入預混合儲料腔217，在預混合儲料腔217內氣體預壓力的作用下，料漿經過靜態混合器混合均勻後流入終料儲料腔214，得到成形所需料漿，然後根據計算機讀取的二維層片第一條輪廓信息，通過控制系統控制各成形機構協調運動及成形頭2噴嘴沈的開閉完成二維層片內第一條填充輪廓的擠壓成形，接著計算機讀取二維層片內第二條填充輪廓，控制軟體根據材信息添加方式通過控制系統控制成形頭2為第二條填充輪廓按比例配料混合所需材料組分料漿，通過控制系統控制各成形機構協調運動及成形頭噴嘴的開閉完成第二條輪廓的擠壓成形，第一條填充輪廓與第二條填充輪廓粘結，如此反覆，一條條輪廓擠壓成形完成固體氧化物燃料電池一層的成形製造，接著，計算機把下一層的信息傳遞給控制系統，完成固體氧化物燃料電池第二層的成形製造，重複上述層片成形過程直至所有層片成形完畢，即快速製造出固體氧化物燃料電池。用該方法製得的固體氧化物燃料電池的電解質層具有非常明顯的材料梯度變化規律，增強了陽極層與電解質層的結合性，減少了固體氧化物燃料電池在燒結時因陽極層與陰極層結合性差而導致的層脫落現象。實施例2與實施例1基本相同。所不同的是，設置材料信息添加控制軟體中材料添加方式為非線性方式，製得的固體氧化物燃料電池其電解質層材料梯度變化均勻程度提高了 25%，大大提高了該固體氧化物燃料電池的可實用性。實施例3與實施例1基本相同。所不同的是，設置材料信息添加控制軟體中材料添加方式為線性和非線性相結合的方式，製得的固體氧化物燃料電池其電解質層材料梯度變化均勻程度提高了 40%，不但大大提高了該固體氧化物燃料電池的可實用性，而且進一步降低了固體氧化物燃料電池在燒結時因陽極層與陰極層結合性差而導致的層脫落現象。實施例4採用本發明所述的製造方法及設備製造長IOOmm的人體髖關節模型，設置材料信息添加控制軟體中材料添加方式為線性方式，噴嘴直徑1mm。其過程如下首先運用三維CAD軟體設計出髖關節三維實體模型(參見圖1)，然後根據產品設計工藝要求，將其按設計層厚進行切片分層，層數為100，每一層的切片厚度為1mm，計算機連續讀取二維層片信息，控制軟體根據材信息添加方式，通過控制成形頭2內兩位兩通電磁閥210的開閉時間實現各種不同材料組分料漿按比例配料後流入預混合儲料腔217，在預混合儲料腔217內氣體預壓力的作用下，料漿經過靜態混合器混合均勻後流入終料儲料腔214，得到成形所需料漿，然後根據計算機讀取的二維層片第一條輪廓信息，通過控制系統控制各成形機構協調運動及成形頭2噴嘴沈的開閉完成二維層片內第一條填充輪廓的擠壓成形，接著計算機讀取二維層片內第二條填充輪廓，控制軟體根據材信息添加方式通過控制系統控制成形頭2為第二條填充輪廓按比例配料混合所需材料組分料漿，通過控制系統控制各成形機構協調運動及成形頭噴嘴的開閉完成第二條輪廓的擠壓成形，第一條填充輪廓與第二條填充輪廓粘結，如此反覆，一條條輪廓擠壓成形完成髖關節一層的成形製造，接著，計算機把下一層的信息傳遞給控制系統，完成固體氧化物燃料電池第二層的成形製造，重複上述層片成形過程直至所有層片成形完畢，即可快速製造出髖關節模型。用該方法製得的髖關節模型內部材料梯度變化非常均勻，並且具有很高的硬度和韌性，十分接近真實人體髖關節的性能。實施例5與實施例3基本相同。所不同的是，設置材料信息添加控制軟體中材料添加方式為非線性方式，製得的髖關節模型其內部材料按非線性規律呈梯度變化，比按線性方式添加材料信息在硬度和韌性方面分別提高了 20%和19%，提高了髖關節模型的性能。實施例6與實施例3基本相同。所不同的是，設置材料信息添加控制軟體中材料添加方式為線性和非線性相結合的方式，製得的髖關節模型其內部擁有更接近於真實人體髖關節材料的梯度變化規律，比只按線性方式或非線性方式添加材料信息在硬度和韌性方面分別提高了 35%和洲％。具有更加接近真實人體髖關節模型的性能。
權利要求
1.一種非均質實體的製造方法，該方法基於漿料的微流擠壓與多組分材料按比例的實時混合，採用如下步驟(1)首先由三維CAD軟體設計出不含任何材料信息的實體模型，然後根據成形實體的工藝要求，將實體模型按設計厚度切片分層，得到實體模型每一層的二維層片信息；(2)材料信息添加軟體根據二維層片內填充輪廓對材料組分的要求，控制多組分材料混合擠壓成形頭完成不同材料組分料漿的按配比混合，得到符合填充輪廓要求的材料組分的料漿；在常規運動控制軟體的控制下，多組分材料混合擠壓成形頭沿X軸和Y軸方向運行，完成實體二維層片內一條填充輪廓的擠壓成形；然後，根據該二維層片內下一條填充輪廓對材料組分的要求控制多組分材料混合擠壓成形頭按比例混合各種不同材料組分的料漿，得到該填充輪廓所需材料組分的料漿；依上所述連續按配比混合不同材料組分料漿，然後擠壓成形，直至完成該二維層片的擠壓成形；使二維層片內填充輪廓的材料組分沿設計方向呈梯度連續變化；所述多組分材料混合擠壓成形頭主要包括不同材料組分料漿配比系統和靜態混合系統；(3)在計算機的控制下，使多組分材料混合擠壓成形頭沿Z軸方向運動，向上移動一個實體層片的高度，採用與第(2)步一樣的方法完成實體第二層片的擠壓成形，同時使第一層片與第二層片粘結成一個整體；(4)重複第( 和C3)步方法，依次按照所述實體每一層的二維層片信息逐層進行製造，並依次粘結成一個整體，直至製得所述的非均質實體。
2.根據權利要求1所述非均質實體的製造方法，其特徵在於所述材料信息添加軟體在二維層片內添加材料信息的方式有三種線性方式、非線性方式和線性與非線性相結合方式。
3.一種非均質實體的製造設備，其特徵在於該製造設備適用於本發明所述的製造方法，包括三維運動控制平臺、多組分材料混合擠壓成形頭、供氣及氣壓控制裝置和控制系統；所述的三維運動控制平臺包括底板、龍門支架、成形平臺、X向傳動機構、X向精密線性模組的滑塊、Y向傳動機構、Y向精密線性模組的滑塊、Z向傳動機構和Z向精密線性模組的滑塊；所述龍門支架豎直安裝在底板上，成形平臺安裝在Y向精密線性模組的滑塊上，X向傳動機構固定在龍門支架上，Z向傳動機構固定在X向精密線性模組的滑塊上，Y向傳動機構直接固定在底板上；所述多組分材料混合擠壓成形頭包括料腔蓋、供料腔、預混合儲料腔、靜態混和器、兩位兩通電磁閥、終料儲料腔、用於連接各元件的連接導管、輸送恆壓氣體的上氣體導管、下氣體導管和噴嘴；所述靜態混合器包括靜態混合腔及其內部填裝的固體小顆粒；所述多組分材料混合擠壓成形頭安裝在Z向精密線性模組的滑塊上；所述供氣及氣壓控制裝置主要包括氣泵、減壓閥、兩位三通電磁閥和氣體導管；所述的控制系統包括控制裝置、計算機和材料信息添加軟體；控制裝置通過通用擴展槽與計算機相連接。
4.根據權利要求3所述非均質實體的製造設備，其特徵在於所述多組分材料混合擠壓成形頭是以設計的厚度、長度和寬度的有機玻璃板為基體，應用雷射內雕刻技術將供料腔、 料腔蓋、活塞、預混合儲料腔、靜態混和腔、終料儲料腔、用於連接各元件的連接導管和輸送恆壓氣體的上、下氣體導管內雕刻於所述有機玻璃板基體上，加工成為多組分材料混合擠壓成形一體頭；所述供料腔、預混合儲料腔、靜態混和腔和終料儲料腔之間均通過內雕刻於有機玻璃板上的導管相連；所述兩位兩通電磁閥均為內嵌於所述有機玻璃板內；所述供料腔部分外露於有機玻璃板，供料腔外露於有機玻璃基體部分其頂部左右兩側各帶有一個固定裝置；所述料腔蓋中心帶有一個連接氣體導管用的接口，其左右兩側各帶有一個與上述供料腔上部固定裝置相互配合使用的固定裝置，所述預混合儲料腔和終料儲料腔的上部均帶有通入恆壓氣體的氣體導管，通過氣體導管向預混合儲料腔、靜態混合器和終料儲料腔內料漿提供氣體預壓力。
5.根據權利要求3所述非均質實體的製造設備，其特徵在於所述固體小顆粒為金屬或非金屬氧化物，包括二氧化矽、氧化鋁或氧化銅，固體小顆粒直徑為0. 5 2mm ；所述靜態混合腔內裝滿所述的固體小顆粒。
6.根據權利要求3所述非均質實體的製造設備，其特徵在於所述料腔蓋和活塞均由橡膠材料構成；料腔蓋的下部帶有螺紋。
全文摘要
本發明提供一種非均質實體的製造方法及設備，其製造方法及步驟如下1.首先對成形實體按設計厚度切片分層，得到實體每一層二維層片信息；2.在應用程式控制下，混合擠壓成形頭根據所述信息要求對供料腔中各種不同材料組分料漿按配比混合，得到製造料漿；3.在CAD軟體的控制下，混合擠壓成形頭完成實體的第一層片製造，使二維層片內材料組分沿指定方向呈梯度連續變化；4.混合擠壓成形頭移動成形實體一個層片的高度，完成實體第二層片成形製造；5.重複上述方法，逐層進行，直至製得所述非均質實體。本發明製造設備適用於本發明所述製造方法，包括三維運動控制平臺、多組分材料混合擠壓成形頭、供氣及氣壓控制裝置和控制系統。
文檔編號B28B3/26GK102350729SQ20111026970
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月13日 優先權日2011年9月13日
發明者劉志華, 徐安平, 朱東彬, 蔡曉剛 申請人:河北工業大學