阅读说明：本技术 电磁/力学性能多维渐变可控吸波结构3d打印系统及方法 (Electromagnetic/mechanical property multi-dimensional gradient controllable wave-absorbing structure 3D printing system and method ) 是由 李涤尘 杨东 曹毅 尹义发 张志坤 于 2020-06-09 设计创作，主要内容包括：一种电磁/力学性能多维渐变可控吸波结构3D打印系统及方法,系统包括3D打印腔体,3D打印腔体下侧设有加热板,加热板上设有成形平台,成形平台上直接打印成形吸波结构件,吸波结构件上部设有第一、第二打印头系统,3D打印腔体上侧设有温度控制器；吸波结构件是由多个单胞结构组成,单胞结构由框架结构和电磁结构组成；打印方法是通过设计软件将吸波结构件中的每个单胞结构分为框架结构和电磁结构,并进行切片分层生成打印数据；在同一层高内,用第一打印头系统打印框架结构,用第二打印头系统打印电磁结构,重复直至吸波结构件打印加工过程完成；本发明实现吸波结构电磁/力学性能多维渐变可控性制造,方法简单、安全可靠、操作方便。(A3D printing system and a method for a multi-dimensional gradient controllable wave-absorbing structure with electromagnetic/mechanical properties comprise a 3D printing cavity, wherein a heating plate is arranged on the lower side of the 3D printing cavity, a forming platform is arranged on the heating plate, a formed wave-absorbing structural member is directly printed on the forming platform, a first printing head system and a second printing head system are arranged on the upper part of the wave-absorbing structural member, and a temperature controller is arranged on the upper side of the 3D printing cavity; the wave-absorbing structural part consists of a plurality of unit cell structures, and each unit cell structure consists of a frame structure and an electromagnetic structure; the printing method is that each single cell structure in the wave-absorbing structural part is divided into a frame structure and an electromagnetic structure through design software, and the frame structure and the electromagnetic structure are sliced and layered to generate printing data; within the same layer height, printing the frame structure by using a first printing head system, printing the electromagnetic structure by using a second printing head system, and repeating until the printing and processing process of the wave-absorbing structural member is completed; the invention realizes the multi-dimensional gradient controllable manufacturing of the electromagnetic/mechanical properties of the wave-absorbing structure, and the method is simple, safe, reliable and convenient to operate.)

电磁/力学性能多维渐变可控吸波结构3D打印系统及方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种电磁/力学性能多维渐变可控吸波结构3D打印系统及方法。

背景技术

随着现代电子技术的不断进步，新型雷达及先进探测器得到了跨越式发展，世界各国的空中防御能力和反导能力日益增强，使得飞机、导弹、舰船等大型作战武器面临的威胁日益严重，“发现意味着毁灭”逐渐成为现代战争的重要特点，因此通过各种可以提升武器系统生存能力、突防能力的电磁隐身技术成为世界各国的研究热点。传统的吸波材料(铁磁性材料、碳介质材料)及制造工艺等由于具有吸波频段窄、阻抗不匹配、吸波层厚度大，制造及维护困难，难以实现结构与隐身的一体化成形等特点，因此越来越不能满足未来飞行器的电磁隐身需求。

增材制造技术凭借制造原理上“层层累积”的技术优势为电磁吸波结构的高自由度设计与制造提供了新的契机，采用增材制造技术可以将粉末状、液体状或材料状的吸波复合材料原料按照电磁性能设计需求进行直接成形制造，将不同种类/含量的吸波材料成形为符合阻抗匹配原理的多层级复合吸波材料，从而实现更好的吸波效果。但从目前公开的文献来看，采用增材制造技术制造的吸波材料只能满足单一特定方向(例如：电磁波入射方向)的阻抗匹配，同时受限于3D打印原理及打印精度限制，只能按照不同结构/占空比成形各类单一均质的吸波材料来实现不同阻抗匹配层间电磁性能调控。但在实际应用中各类军事用途的吸波结构件往往具有复杂的外形，而复杂的外形结构对电磁性能在三维空间的分布、设计、制造等提出了更高的要求，同时也对吸波结构件的力学承载能力提出了挑战，目前尚未见到相关解决办法。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电磁/力学性能多维渐变可控吸波结构3D打印系统及方法，采用吸波结构力学承载部分与电磁承载部分独立设计与成形，不仅满足复杂吸波构件在三维空间不同部位对电磁性能的特定性需求，可以依据阻抗匹配理论实现任意比例的电磁参数梯度设计与制造，实现吸波构件电磁性能的各项同性，进而实现对宽频域电磁波的高强吸收；同时又解决了实现吸波结构各部位力学性能定制化制造，即实现吸波结构电磁/力学性能多维渐变可控性制造，本发明方法简单、安全可靠、操作方便。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种电磁/力学性能多维渐变可控的吸波结构3D打印系统，包括3D打印腔体1，3D打印腔体1下侧设有加热板2，加热板2上设有成形平台3，成形平台3上直接打印成形吸波结构件4，吸波结构件4上部分别设有第一打印头系统5和第二打印头系统15，3D打印腔体1上侧设有温度控制器16。

所述的吸波结构件4是由多个单胞结构24组成，单胞结构24由框架结构17和电磁结构18组成。

所述的吸波结构4中单胞结构24是同一种尺寸的同一种结构，或是不同尺寸的同一种结构，或是不同尺寸的不同结构，其具体结构外形由框架结构17确定。

所述的框架结构17材料是任何一种3D打印原材料，包含聚醚醚酮、聚乳酸和ABS等，框架结构17的结构外形是任何一种点阵结构，包含但不限于四面体结构19、体心立方结构20、面心立方结构21、蜂窝结构22和木堆结构23等，它可以是任何一种能够给电磁结构18提供支撑位置的点、线、面、体结构。

所述的电磁结构18由各种微波吸收材料构成，由羟基铁粉、羰基铁粉、铁氧体、石墨烯、炭黑、碳化硅、二硫化钼、碳纤维等与热塑性树脂、粘结材料等一种或多种材料复合而成。

所述的第一打印头系统5与第一三维移动支架6连接，第二打印头系统15与第二三维移动支架14连接。

所述的第一打印头系统5上设有第一冷却喷嘴11，第一冷却喷嘴11通过第一管道7与冷却装置8连接。

所述的第二打印头系统15上设有第二冷却喷嘴12，第二冷却喷嘴12通过第二管道9与冷却装置8连接。

所述的第一冷却喷嘴11与第二冷却喷嘴12对第一打印头系统5和第二打印头系统15在打印过程中实现随形局部温度调节。

所述的第一打印头系统5打印第一材料10，第二打印头系统15打印第二材料13。

所述的第一打印头系统5使用第一材料10打印框架结构17，第二打印头系统15使用第二材料13打印电磁结构18。

所述的第二打印头系统15采用送丝轮式的喷头打印模式，或采用螺杆挤出式打印喷头模式，或采用注塑式喷头系统，或填装系统，即第二打印头系统15是任何一种结构或装置，只要能够满足在3D打印过程中或3D打印之后将熔融态或粘结态电磁材料按照需求定形定量沉积或注塑或涂覆在框架结构17。

所述的第二打印头系统15根据电磁材料使用需求，其数量是一个或多个。

所述的温度控制器16能够检测3D打印腔体1内的温度，又能够控制加热板2的加热功率，从而实现3D打印腔体1内温度可控。

基于上述一种电磁/力学性能多维渐变可控的吸波结构3D打印系统的打印方法，包括以下步骤：

第一步：在3D打印系统开机后，完成物料准备及成形平台3调平工作，按照需求通过温度控制器16和加热板2将3D打印腔体1内温度调节到目标温度，将第一打印头系统5和第二打印头系统15加热至目标温度；

第二步：根据吸波性能需要，通过设计软件将吸波结构件4中的每个单胞结构24分为框架结构17和电磁结构18，根据框架结构17的结构外形、尺寸特征、材料选择制造出具有不同力学性能的单胞结构24，根据电磁结构18外形尺寸与材料种类的设计与沉积实现每一个单胞结构24电磁性能可控性制造，通过单胞结构24在三维空间内的组合与分布，最终制造出力学性能多维渐变可控的吸波结构件4；

第三步：根据加工需要，通过工艺软件分别将吸波结构件4中的框架结构17和电磁结构18进行切片分层，并生成打印数据；

第四步：在同一层高内，选用第一打印头系统5打印单胞结构24内的框架结构17，此时通过第一冷却喷嘴11实现对当前打印区域温度的在线调控，打印完成后控制第一三维移动支架6将第一打印头系统5移至打印区域正上方之外；

第五步：在同一层高内，选用第二打印头系统15打印单胞结构24内的电磁结构18，此时通过第二冷却喷嘴12实现对当前打印区域温度的在线调控，打印完成后控制第二三维移动支架14将第二打印头系统15移至打印区域正上方之外；

第六步：重复第四、五步，直至吸波结构件4打印加工过程完成；

第七步：待3D打印腔体1内温度降低至室温后，取出吸波结构件4，关闭设备电源，至此整个加工过程结束。

本发明的有益效果为：

(1)吸波结构件4由单胞结构24组合而成，单胞结构24又由框架结构17与电磁结构18组成，符合基于功能驱动的多层级结构设计，实现吸波结构件4整体力学与电磁性能高自由度设计与制造，从而可实现吸波结构件4的力学性能与电磁性能多维渐变可控性制造。

(2)采用第一打印头系统5和第二打印头系统15分别打印框架结构17和电磁结构18，两个打印头系统可以分别选择不同的工艺、不同的喷嘴直径，实现了以树脂为主要材料的框架结构17和以高含量吸收剂为主要材料的电磁结构18制造工艺上的独立性。

(3)第一打印头系统5和第二打印头系统15上分别设有第一冷却喷嘴11和第二冷却喷嘴12，以及3D打印腔体1内部设计的加热板2，可以实现对当前打印区域进行在线温度调控。

(4)根据实际应用需求，单胞结构24其结构形状可以是以下五种结构：四面体结构19、体心立方结构20、面心立方结构21、蜂窝结构22、木堆结构23。

(5)根据实际需要，第二打印头系统15可以是采用送丝轮式的喷头打印模式，也可以是螺杆挤出式打印喷头模式，也可以是注塑式喷头系统，即第二打印头系统15可以是任何一种结构或装置，只要能够满足在3D打印过程中或3D打印之后将熔融态或粘结态电磁材料按照需求定形定量沉积在框架结构17。

(6)根据实际需要，单胞结构24可以是同一种尺寸的同一种结构，也可是不同尺寸的同一种结构，也可以是不同尺寸的不同结构，其具体结构外形主要由框架结构17确定。

附图说明

图1为本发明电磁/力学性能多维渐变可控的吸波结构3D打印系统的结构示意图。

图2为本发明吸波结构件4示意图。

图3为本发明单胞结构24示意图。

图4为本发明四面体结构19示意图。

图5为本发明体心立方结构20示意图。

图6为本发明面心立方结构21示意图。

图7为本发明蜂窝结构22示意图。

图8为本发明木堆结构23示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1、图2所示，一种电磁/力学性能多维渐变可控的吸波结构3D打印系统，包括3D打印腔体1，3D打印腔体1下侧设有加热板2，加热板2上设有成形平台3，成形平台3上直接打印成形吸波结构件4；吸波结构件4由多个单胞结构4构成，吸波结构件4上部分别设有第一打印头系统5和第二打印头系统15，第一打印头系统5与第一三维移动支架6连接，第一打印头系统5上设有第一冷却喷嘴11，第一冷却喷嘴11通过第一管道7与冷却装置8连接；第二打印头系统15与第二三维移动支架14连接，第二打印头系统15上设有第二冷却喷嘴12，第二冷却喷嘴12通过第二管道9与冷却装置8连接；第一打印头系统5打印第一材料10，第二打印头系统15打印第二材料13，3D打印腔体1上侧设有温度控制器16，温度控制器16能够检测3D打印腔体1内的温度，又能够控制加热板2的加热功率，从而实现3D打印腔体1内温度可控。

如图2和图3所示，所述的吸波结构件4由多个单胞结构24组成，单胞结构24由框架结构17和电磁结构18组成；单胞结构24可以是同一种尺寸的同一种结构，也可是不同尺寸的同一种结构，也可以是不同尺寸的不同结构，其具体结构外形由框架结构17确定；框架结构17材料可以是任何一种常用的3D打印原材料，包含但不仅限于聚醚醚酮，聚乳酸，ABS等；电磁结构18主要由各种微波吸收材料构成，可以是羟基铁粉、铁氧体、石墨烯、炭黑、碳化硅、二硫化钼、碳纤维等与热塑性树脂、粘结材料等一种或多种材料复合而成；通过框架结构17与电磁结构18的多种组合方案后最终实现吸波结构件4的电磁/力学性能多维渐变可控。

如图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，所述的框架结构17是给吸波结构件4提供力学性能以及给电磁结构18的沉积提供支撑点的任意结构，其外形结构可以使四面体结构19、体心立方结构20、面心立方结构21、蜂窝结构22或木堆结构23，以上五种结构仅仅只是框架结构17的几种优选方案，并不是全部，只要适合本发明的电磁/力学性能多维渐变可控原理的各类框架结构，无论其形状、结构、尺寸如何变化，无论其采用何种材料等均属于框架结构17的范畴。

基于上述一种电磁/力学性能多维渐变可控的吸波结构3D打印系统的打印方法，包括以下步骤：

第一步：在3D打印系统开机后，完成物料准备及成形平台3调平工作，按照需求通过温度控制器16和加热板2将3D打印腔体1内温度调节到目标温度，将第一打印头系统5和第二打印头系统15加热至目标温度；

第二步：根据吸波性能需要，通过设计软件将吸波结构件4中的每个单胞结构24分为框架结构17和电磁结构18，根据框架结构17的结构外形、尺寸特征、材料选择制造出具有不同力学性能的单胞结构24，根据电磁结构18外形尺寸与材料种类的设计与沉积实现每一个单胞结构24电磁性能可控性制造，通过单胞结构24在三维空间内的组合与分布，最终制造出力学性能多维渐变可控的吸波结构件4；

第三步：根据加工需要，通过工艺软件分别将吸波结构件4中的框架结构17和电磁结构18进行切片分层，并生成打印数据；

第四步：在同一层高内，选用第一打印头系统5打印单胞结构24内的框架结构17，此时通过第一冷却喷嘴11实现对当前打印区域温度的在线调控，打印完成后控制第一三维移动支架6将第一打印头系统5移至打印区域正上方之外；

第五步：在同一层高内，选用第二打印头系统15打印单胞结构24内的电磁结构18，此时通过第二冷却喷嘴12实现对当前打印区域温度的在线调控，打印完成后控制第二三维移动支架14将第二打印头系统15移至打印区域正上方之外；

第六步：重复第四、五步，直至吸波结构件4打印加工过程完成；

第七步：待3D打印腔体1内温度降低至室温后，取出吸波结构件4，关闭设备电源，至此整个加工过程结束。