功能梯度材料零件快速成型方法

張爭艷，單 斌，陳 萍，陶孟侖，胡吉全，陳定方

（1武漢理工大學(xué)智能制造與控制研究所，湖北 武漢430063；2華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430074）

在多類復(fù)合材料零件快速成型系統(tǒng)設(shè)計方面，Choie等［1］修改了現(xiàn)有的3D系統(tǒng)SL 250／50，開發(fā)出一種采用多個旋轉(zhuǎn)容器建造出由多種不同材料組成裝配體的新MMAM系統(tǒng)。Khalil等［2］開發(fā)了一套多噴嘴快速成型系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠沉淀生物聚合材料，可用于建造醫(yī)用三維腳手架。文獻(xiàn)［3］和文獻(xiàn)［4］報道了一種新的應(yīng)用于多材料快速成型的3D打印系統(tǒng)。相比于多類復(fù)合材料零件，功能梯度材料零件其材料屬性的復(fù)雜性隨梯度維數(shù)的增加而增大，因此需要尋求專門的快速成型方法。

1 一維功能梯度材料零件成型方法

一維功能梯度材料常見梯度變化類型如圖1所示。這類零件的快速成型方法相對簡單。

圖1 一維功能梯度材料零件梯度變化類型

對于一維面參考的功能梯度材料零件，當(dāng)采用梯度方向?yàn)榻ㄔ旆较驎r，其材料變化有規(guī)律可循，即每層切片上的材料屬性完全相同，不同切片層之間的材料屬性不同（圖2a）。因此，該類零件成型方向選取梯度變化方向，材料屬性在每層切片間變化，同層切片在成型過程中保持材料屬性的不變。

而對于一維軸線參考的功能梯度材料零件，其材料規(guī)律為：不同切片層間的材料屬性相同，同一層切片上的材料屬性有差別，并且由軸線向外表面梯度變化。這類零件的快速成型方法如圖2b所示。

圖2 一維功能梯度材料零件（兩種不同梯度）成型方法

為驗(yàn)證上述成型方法，本文選取兩個具有一維面參考的功能梯度材料零件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用在開源資料基礎(chǔ)上自主改進(jìn)后的3D打印機(jī)進(jìn)行試制（下同），實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，實(shí)例中分別由三種不同顏色的材料近似表示功能梯度材料。

圖3 一維功能梯度材料零件成型方法實(shí)驗(yàn)

2 二維功能梯度材料零件成型方法

如圖4a所示，長方體具有兩個梯度變化方向G1，G2，梯度參考方向?yàn)槊鎱⒖?。假設(shè)該零件建造方向?yàn)镚2方向，則圖4b所示為該零件建造過程中某一層切片，則該層切片的材料屬性為二維功能梯度在該層切片上的材料貢獻(xiàn)值的和。經(jīng)分析，得：1）梯度G2對該切片上所有點(diǎn)的材料屬性貢獻(xiàn)值相同；2）梯度G1對圖4b中每個成型路徑（虛線之間區(qū)域）的材料屬性貢獻(xiàn)值相同。

綜上，圖4中每個成型路徑的材料屬性為對該處的材料屬性與權(quán)重值乘積的和。因此，可采用圖4b所示的成型路徑對該類零件進(jìn)行快速成型。

圖4 二維功能梯度材料零件材料屬性

為驗(yàn)證上述成型方法，設(shè)計一種具有二維功能梯度材料屬性的長方體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，實(shí)例中分別由3種不同顏色的材料近似表示功能梯度材料。

圖5 二維功能梯度材料零件成型方法實(shí)驗(yàn)

3 多維功能梯度材料零件成型方法

上述兩種成型方法很難應(yīng)用于圖6所示的三維FGM零件（三維梯度方向分別為：AB，CD，EF）乃至更多維的FGM零件，這是因?yàn)閷τ诙嗑SFGM零件，無論選取的成型方向如何，其每層切片上不同的幾何點(diǎn)具有不同的材料屬性。

由于多維FGM零件每個成型切片材料變化的復(fù)雜性，需要對單一材料零件成型路徑進(jìn)行無限細(xì)分以得到多個細(xì)分后的成型單元，而這些成型單元都是在假定其為單一材料零件得到的成型路徑上的，之后按照文獻(xiàn)［5］所述的方法，賦予不同成型單元的材料屬性。

圖6 多維梯度材料零件示意圖

由于材料屬性的復(fù)雜性，其成型方法也較為復(fù)雜，詳細(xì)方法參見文獻(xiàn)［5］和文獻(xiàn)［6］。

［1］ Choi J W，Kim H C，Wicker R.Multi－material stereolithography［J］.Journal of Materials Processing Technology，2011，211：318－328.

［2］ Khalil S，Nam J，Sun W.Multi－nozzle deposition for construction of 3Dbiopolymer tissue scaffolds［J］.Rapid Prototyping Journal，2005（11）：9－17.

［3］ Vidimce K.OpenFab：A programmable pipeline for multi－material fabrication［J］.ACM Transactions on Graphics，2013，32：1－136.

［4］ Chne D.Spec2Fab：a reducer－tuner model for translating specifications to 3Dprints［J］.ACM Transactions on Graphics，2013，32：1－135.

［5］ zhang Z.Representation and fabrication method for multiple gradient FGM part based on additive manufacturing［J］.Applied Mechanics and Materials，2014，433：2 076－2 280.

［6］ 張爭艷.異質(zhì)多材料零件快速成型關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2014.