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武漢理工大學智能制造與控制研究所，湖北 武漢430063；2華中科技大學材料科學與工程學院，湖北 武漢430074）

在多類復合材料零件快速成型系統設計方面，Choie等［1］修改了現有的3D系統SL 250／50，開發出一種采用多個旋轉容器建造出由多種不同材料組成裝配體的新MMAM系統。Khalil等［2］開發了一套多噴嘴快速成型系統，該系統能夠沉淀生物聚合材料，可用于建造醫用三維腳手架。文獻［3］和文獻［4］報道了一種新的應用于多材料快速成型的3D打印系統。相比于多類復合材料零件，功能梯度材料零件其材料屬性的復雜性隨梯度維數的增加而增大，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，當采用梯度方向為建造方向時，其材料變化有規律可循，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行實驗，利用在開源資料基礎上自主改進后的3D打印機進行試制（下同），實驗結果如圖3所示，實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驗

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，梯度參考方向為面參考。假設該零件建造方向為G2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值的和。經分析，得：1）梯度G2對該切片上所有點的材料屬性貢獻值相同；2）梯度G1對圖4b中每個成型路徑（虛線之間區域）的材料屬性貢獻值相同。

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行快速成型。

圖4 二維功能梯度材料零件材料屬性

為驗證上述成型方法，設計一種具有二維功能梯度材料屬性的長方體進行實驗，實驗結果如圖5所示，實例中分別由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驗

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，這是因為對于多維FGM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雜性，需要對單一材料零件成型路徑進行無限細分以得到多個細分后的成型單元，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［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

由于材料屬性的復雜性，其成型方法也較為復雜，詳細方法參見文獻［5］和文獻［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.異質多材料零件快速成型關鍵技術研究［D］.武漢：武漢理工大學，2014.