一種基于3d打印技術(shù)的鋁基點(diǎn)陣材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于3D打印技術(shù)的錯(cuò)基點(diǎn)陣材料設(shè)計(jì)與制備方法。通過計(jì)算機(jī) 設(shè)計(jì)，獲得一定的單胞構(gòu)型及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后利用3D打印技術(shù)制備出聚合物點(diǎn)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(diǎn)陣模型結(jié)構(gòu)完全一致的鋁基（純鋁 或錯(cuò)合金）點(diǎn)陣材料。
【背景技術(shù)】
[0002] 點(diǎn)陣材料是一種由節(jié)點(diǎn)及連接桿單元組成的空間網(wǎng)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(diǎn)陣材料具有更高的比強(qiáng)度、比剛度 和單位質(zhì)量吸能性，尤其是當(dāng)相對密度較低時(shí)，點(diǎn)陣材料具有尤為突出的質(zhì)量效率和性能 優(yōu)勢，是目前國際上公認(rèn)的最有前景的超強(qiáng)韌輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料之一。除了優(yōu)異的力學(xué)性能以 外，點(diǎn)陣材料還可以通過基體調(diào)整、構(gòu)型變化或孔隙填充進(jìn)行功能化設(shè)計(jì)，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(diǎn)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(gòu)型多元化以及單胞參數(shù)更小等優(yōu)點(diǎn)，被 認(rèn)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(shù) 制備單層聚合物點(diǎn)陣模型，然后通過拼裝和焊接的方法構(gòu)成空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，再通過熔模鑄 造工藝形成多層金屬點(diǎn)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(dòng)性 必須好，這就給基體材料選擇以及材料性能設(shè)計(jì)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(diǎn)陣材料單胞尺度仍然偏大（多IOmm量 級），且構(gòu)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(shù)領(lǐng)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(shù)瓶頸，在整體強(qiáng)韌性 進(jìn)一步提高的同時(shí)實(shí)現(xiàn)某種或多種功能性的改善，使之表現(xiàn)出真正的結(jié)構(gòu)-功能一體化特 性，是本領(lǐng)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(fù)雜構(gòu)型三維多層金屬點(diǎn)陣材料 的方法之一。該方法之所以過程繁瑣、技術(shù)難度大，是因?yàn)橹苽渚酆衔锬Ｐ退脟娚涑尚渭?術(shù)和熔模鑄造工藝的限制。近年來，3D打印技術(shù)取得了迅猛的發(fā)展，已經(jīng)突破了傳統(tǒng)成形方 法在復(fù)雜結(jié)構(gòu)、不同材料和工藝流程上的諸多技術(shù)障礙，可一次性打印出包括金屬材料在 內(nèi)的多種材料組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，成為高效制備精細(xì)、復(fù)雜、多元結(jié)構(gòu)的最先進(jìn)的技術(shù)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(nèi)殘留氧化夾雜和縫隙等缺陷，導(dǎo)致其力學(xué)性能下降。為克服這一困難，本發(fā)明利用3D打 印技術(shù)先獲得低熔點(diǎn)非金屬點(diǎn)陣模型，再通過熔模制殼、壓力滲流制備出金屬點(diǎn)陣材料。由 于金屬液體在壓力下流動(dòng)、充型和凝固，故可獲得致密、純凈、結(jié)合牢固的基體組織，為保證 點(diǎn)陣材料的強(qiáng)韌性提供了重要保障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明目的在于提供一種基于3D打印技術(shù)的鋁基點(diǎn)陣材料設(shè)計(jì)與制備方法。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0008] -種基于3D打印技術(shù)的鋁基點(diǎn)陣材料，其特征在于：
[0009] 所述點(diǎn)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(shù)的鋁基點(diǎn)陣材料，其特征在于：
[0011] 所述點(diǎn)陣材料單胞構(gòu)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(shù)的鋁基點(diǎn)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(shù)的鋁基點(diǎn)陣材料，其特征在于：
[0015] 所述點(diǎn)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(shù)的鋁基點(diǎn)陣材料，其特征在于：
[0017] 所述點(diǎn)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(fù)合結(jié)構(gòu)，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(diǎn)陣材料制備方法，其特征在于包括以下步驟：
[0019] (1)構(gòu)型設(shè)計(jì)：采用CATIA軟件對點(diǎn)陣材料單胞進(jìn)行幾何建模和構(gòu)型設(shè)計(jì)；
[0020] (2) 3D打印：采用高分子粉末材料為原料，在3D打印機(jī)上用激光選區(qū)熔化法打印 高分子點(diǎn)陣模型；
[0021] (3)殼型制備：以3D打印的聚合物點(diǎn)陣模型為犧牲模，將石膏基涂料填充點(diǎn)陣模 型的孔隙并將點(diǎn)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(nèi)腔形狀與 聚合物點(diǎn)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(nèi)，將液態(tài)鋁在氣壓作用下滲入、充滿 殼型內(nèi)腔，待金屬液凝固后將殼型分離便得到鋁基點(diǎn)陣材料。
[0023] 所述的鋁基點(diǎn)陣材料制備方法，其特征在于：所述的采用CATIA軟件對點(diǎn)陣材料 單胞進(jìn)行幾何建模和構(gòu)型設(shè)計(jì)，包括桿單元直徑、長度、夾角、截面形狀、每層單胞個(gè)數(shù)和點(diǎn) 陣層數(shù)，以及以周期性排列單胞為芯板、以致密板為面板的夾心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
[0024] 本發(fā)明基于3D打印技術(shù)的鋁基點(diǎn)陣材料的制備方法，包括以下步驟：
[0025] (1)構(gòu)型設(shè)計(jì)：采用CATIA軟件對點(diǎn)陣材料單胞進(jìn)行幾何建模和構(gòu)型設(shè)計(jì)，包括 桿單元直徑、長度、夾角、截面形狀、每層單胞個(gè)數(shù)和點(diǎn)陣層數(shù)，以及由周期性排列單胞為芯 板、致密板為面板的夾心板設(shè)計(jì)。
[0026] ⑵3D打印：采用高分子粉末材料為原料，在3D打印機(jī)上用激光選區(qū)熔化法打印 出高分子點(diǎn)陣模型。
[0027] (3)殼型制備：以3D打印的聚合物點(diǎn)陣模型為犧牲模，將石膏基涂料填充點(diǎn)陣模 型的孔隙，然后將涂料在70~650°C范圍內(nèi)烘干、固化并將犧牲模燒除，得到內(nèi)腔形狀與聚 合物點(diǎn)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