功能梯度材料零件快速成型方法

张争艳，单 斌，陈 萍，陶孟仑，胡吉全，陈定方

（1武汉理工大学智能制造与控制研究所，湖北 武汉430063；2华中科技大学材料科学与工程学院，湖北 武汉430074）

在多类复合材料零件快速成型系统设计方面，Choie等［1］修改了现有的3D系统SL 250／50，开发出一种采用多个旋转容器建造出由多种不同材料组成装配体的新MMAM系统。Khalil等［2］开发了一套多喷嘴快速成型系统，该系统能够沉淀生物聚合材料，可用于建造医用三维脚手架。文献［3］和文献［4］报道了一种新的应用于多材料快速成型的3D打印系统。相比于多类复合材料零件，功能梯度材料零件其材料属性的复杂性随梯度维数的增加而增大，因此需要寻求专门的快速成型方法。

1 一维功能梯度材料零件成型方法

一维功能梯度材料常见梯度变化类型如图1所示。这类零件的快速成型方法相对简单。

图1 一维功能梯度材料零件梯度变化类型

对于一维面参考的功能梯度材料零件，当采用梯度方向为建造方向时，其材料变化有规律可循，即每层切片上的材料属性完全相同，不同切片层之间的材料属性不同（图2a）。因此，该类零件成型方向选取梯度变化方向，材料属性在每层切片间变化，同层切片在成型过程中保持材料属性的不变。

而对于一维轴线参考的功能梯度材料零件，其材料规律为：不同切片层间的材料属性相同，同一层切片上的材料属性有差别，并且由轴线向外表面梯度变化。这类零件的快速成型方法如图2b所示。

图2 一维功能梯度材料零件（两种不同梯度）成型方法

为验证上述成型方法，本文选取两个具有一维面参考的功能梯度材料零件进行实验，利用在开源资料基础上自主改进后的3D打印机进行试制（下同），实验结果如图3所示，实例中分别由三种不同颜色的材料近似表示功能梯度材料。

图3 一维功能梯度材料零件成型方法实验

2 二维功能梯度材料零件成型方法

如图4a所示，长方体具有两个梯度变化方向G1，G2，梯度参考方向为面参考。假设该零件建造方向为G2方向，则图4b所示为该零件建造过程中某一层切片，则该层切片的材料属性为二维功能梯度在该层切片上的材料贡献值的和。经分析，得：1）梯度G2对该切片上所有点的材料属性贡献值相同；2）梯度G1对图4b中每个成型路径（虚线之间区域）的材料属性贡献值相同。

综上，图4中每个成型路径的材料属性为对该处的材料属性与权重值乘积的和。因此，可采用图4b所示的成型路径对该类零件进行快速成型。

图4 二维功能梯度材料零件材料属性

为验证上述成型方法，设计一种具有二维功能梯度材料属性的长方体进行实验，实验结果如图5所示，实例中分别由3种不同颜色的材料近似表示功能梯度材料。

图5 二维功能梯度材料零件成型方法实验

3 多维功能梯度材料零件成型方法

上述两种成型方法很难应用于图6所示的三维FGM零件（三维梯度方向分别为：AB，CD，EF）乃至更多维的FGM零件，这是因为对于多维FGM零件，无论选取的成型方向如何，其每层切片上不同的几何点具有不同的材料属性。

由于多维FGM零件每个成型切片材料变化的复杂性，需要对单一材料零件成型路径进行无限细分以得到多个细分后的成型单元，而这些成型单元都是在假定其为单一材料零件得到的成型路径上的，之后按照文献［5］所述的方法，赋予不同成型单元的材料属性。

图6 多维梯度材料零件示意图

由于材料属性的复杂性，其成型方法也较为复杂，详细方法参见文献［5］和文献［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］ 张争艳.异质多材料零件快速成型关键技术研究［D］.武汉：武汉理工大学，2014.