CN105020566A - 变截面金属点阵结构及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变截面金属点阵结构及其加工方法，变截面金属点阵结构包括空间排列的多个变截面点阵单元，变截面点阵单元由多个变截面杆件连接构成；变截面金属点阵结构采用选择激光熔融技术逐层烧结而成，加工前金属粉末烧结机的工作仓以氮气作为保护气体保持密封；针对杆径各部位的内力特性，对金属点阵单元的杆径进行优化，相比通过金属丝编织及焊接构成的均匀点阵结构，变截面点阵结构中的变截面杆件，其截面直径由变截面杆件在荷载作用下需满足的内力条件来精确决定，实现构成变截面杆件的材料根据变截面杆件内的应力梯度而增减，节约了粉末材料，提升了轻质特性。

Description

变截面金属点阵结构及其加工方法

技术领域

本发明涉及金属点阵结构，尤其涉及变截面金属点阵结构及其加工方法。

背景技术

金属点阵结构相比其他轻质结构具有比强度比刚度高的特性，然而由于受传统制造方法的限制，其本身具有的单元多、结构复杂的特点使得金属点阵结构的设计和制造成为难点。而传统的焊接法、编织法制造的金属点阵结构结构较单一，也未针对单元内不同部位的受力条件而开展优化设计。

随着增材制造技术的发展，尤其是选择性激光熔融技术实现商业化，直接从金属粉末打印设计的金属微结构成为现实。而现有的的杆径不变的均匀点阵单元结构耗材多，重量大，因此需要针对杆径各部位的内力特性，开展杆径优化，实现进一步提升其比强度和比刚度的金属点阵结构，以达到节约材料、提升力学性能的目的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种变截面金属点阵结构及其加工方法，对金属点阵单元的杆径进行优化，进一步提升比强度和比刚度，达到节约材料、提升力学性能的目的。

本发明的变截面金属点阵结构，包括空间排列的多个变截面点阵单元；所述变截面点阵单元由多个变截面杆件连接构成；

进一步，所述变截面杆件中部的直径小于两端的直径；

进一步，所述变截面杆件的外侧面为光滑表面；

进一步，所述变截面杆件的杆径方程为：

式中l为变截面杆件的长度，d为变截面杆件的直径，θ为变截面杆件与铅垂线夹角，[σ]为金属材料的许用正应力，q为一根变截面杆件承受的竖直向下的均布荷载；a₀、a₁、a₂为常数；

进一步，所述变截面点阵单元为基于正棱柱的面心立体单元；

进一步，所述为正棱柱为立方体；

进一步，任意相邻两个变截面点阵单元共用一个变截面杆件；

本发明的变截面金属点阵结构的加工方法，采用选择激光熔融技术逐层烧结而成，加工前金属粉末烧结机的工作仓以氮气作为保护气体保持密封；

进一步，加工过程中，激光功率为200W,扫描速度1000mm/s，扫面间距200μm，单次烧结粉末层厚度为20μm，加工完成的变截面金属点阵结构进行800摄氏度退火热处理。

本发明的有益效果是：本发明的变截面金属点阵结构及其加工方法，针对杆径各部位的内力特性，对金属点阵单元的杆径进行优化，与一般的点阵结构相比，该结构的构成单元由沿杆径方向横截面直径可变的微型变截面杆件组成，相比通过金属丝编织及焊接构成的均匀点阵结构，变截面点阵结构中的变截面杆件，其截面直径由变截面杆件在荷载作用下需满足的内力条件来精确决定，实现构成变截面杆件的材料根据变截面杆件内的应力梯度而增减，节约了粉末材料，提升了轻质特性；运用选择激光熔融技术逐层烧结而成，成型件致密度高达99.5％，相比其他轻质结构材料具有极高的比强度和比刚度，相对密度可达10％，特别适合应用于大型航空航天器、汽车工业等领域中的支撑结构以及生物科学及医学中的血管支架、仿生骨骼中。

附图说明

图1为本发明的变截面金属点阵结构示意图；

图2为变截面点阵单元结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明的变截面金属点阵结构示意图；图2为变截面点阵单元结构示意图，如图所示：本实施例的变截面金属点阵结构，包括空间排列的多个变截面点阵单元1；所述变截面点阵单元1由多个变截面杆件2连接构成，多个变截面点阵单元1在空间内紧密排列堆叠在一起形成变截面金属点阵结构，变截面点阵单元1针对杆径各部位的内力特性，对杆径进行优化，使其变截面杆件2形成两端粗中部细的变截面杆件2，实现构成变截面杆件2的材料根据变截面杆件2内的应力梯度而增减，节约了粉末材料，提升了力学性能和轻质特性。

本实施例中，所述变截面杆件2中部的直径小于两端的直径；由超静定结构计算方法，结合单元的对称性，可得到FCC直杆单元的对称计算模型，由力学理论，可求出对应的内力方程，即当0≤x≤l时，有：

弯矩方程：

$M\left(x\right)=\frac{1}{6}q{\sin }^2\mathrm{\θ}(6\mathrm{lx}-3x^2-2l^2)$

剪力方程：

Q(x)＝qsinθ(lsinθ-x)

轴力方程：

N(x)＝qltanθ

对以上方程中的参数进行说明,l为单元中杆的长度，以上方程中，取杆长为x的一段进行分析，θ为杆与铅垂线之间的夹角,考虑到现阶段SLM技术条件，l取值范围为1～8mm，θ取值范围为0≤x≤l；

由于点阵单元中，杆的长度与直径之比(长径比)通常在5以上，符合细长梁假设，因此，考虑杆的弯曲正应力强度即可。

杆的弯曲正应力方程为：

$\mathrm{\σ}=\frac{M}{W}=\frac{1}{6}q{\sin }^2\mathrm{\θ}(6\mathrm{lx}-3x^2-2l^2)\×\frac{32}{\mathrm{\π}{d}^3}=\frac{16q{\sin }^2\mathrm{\θ}(6\mathrm{lx}-3x^2-2l^2)}{3\mathrm{\π}{d}^3}$

必须满足强度条件：

σ≤[σ]

则有满足弯矩要求的外径尺寸：

$d\≥\sqrt[3]{\frac{\left|16q{\sin }^2(6\mathrm{lx}-3x^2-2l^2)\right|}{3\left[\mathrm{\σ}\right]}}$

同理可得满足剪力和轴力要求的外径尺寸：

$d\≥\sqrt{\frac{\left|4\sin \mathrm{\θ}(l\sin \mathrm{\θ}-x)\right|}{\mathrm{\π}\left[\mathrm{\τ}\right]}}$

$d\≥\sqrt{\frac{4\mathrm{ql}\tan \mathrm{\θ}}{\mathrm{\π}\left[\mathrm{\σ}\right]}}$

以上公式中的[σ]、[τ]为许用正应力和许用剪应力，取值由具体的材料相关的力学性能试验给出，d和x值都是变量，分别代表杆上某位置对应的杆径和该位置距离杆端的距离，显然0≤x≤l，得到杆径随杆长方向的变化曲线大致呈V字形。

本实施例中，所述变截面杆件2的外侧面为光滑表面，减少应力集中点，提高力学性能。

本实施例中，所述变截面杆件2的杆径方程为：

式中l为变截面杆件2的长度，d为变截面杆件2的直径，θ为变截面杆件2与铅垂线夹角，[σ]为金属材料的许用正应力，q为一根变截面杆件2承受的竖直向下的均布荷载；a₀、a₁、a₂为常数；根据杆径方程曲线的连续性要求以及内力条件限定，拟合中间段圆弧，对于惯用的点阵结构，都可根据本发明所示的方法，求出单根杆的直径随杆上不同位置变化的曲线方程，得到适用于SLM技术的金属变截面杆点阵结构及材料，实现材料利用率更高，比强度和比刚度指标更好的超轻质金属结构设计。

本实施例中，所述变截面点阵单元1为基于正棱柱的面心立体单元，即以正棱柱的上底面和下底面的中心点为相应的上顶点和下顶点，以正棱柱的各个侧面的中心点为中间点，面心立体单元由连接于各个中间点与上顶点和下顶点之间的偶数个变截面杆件2构成，该结构能在空间内紧密排列和堆叠。

本实施例中，所述为正棱柱为立方体。

本实施例中，任意相邻两个变截面点阵单元1共用一个变截面杆件2，耗材少，重量轻，连接紧密，力学性能好。

本实施例的变截面金属点阵结构的加工方法，采用选择激光熔融技术逐层烧结而成，加工前金属粉末烧结机的工作仓以氮气作为保护气体保持密封，加工时，刮刀从供粉仓向烧结仓内的支承板上铺粉，激光束烧结粉末，一层烧结结束，刮刀将多余的粉末刮入粉末回收仓，支承板向下沉降一段距离，刮刀再次铺粉。通过这种逐层扫描烧结的方式，可以加工具有变截面特性的钛合金金属点阵结构件，采用强度高、重量轻、耐腐蚀的Ti6Al4V作为粉末，运用选择激光熔融技术逐层烧结而成，成型件致密度高达99.5％，相比其他轻质结构材料具有极高的比强度和比刚度，相对密度可达10％，特别适合应用于大型航空航天器、汽车工业等领域中的支撑结构以及生物科学及医学中的血管支架、仿生骨骼中。

本实施例中，加工过程中，激光功率为200W,扫描速度1000mm/s，扫面间距200μm，单次烧结粉末层厚度为20μm，加工完成的变截面金属点阵结构进行800摄氏度退火热处理。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种变截面金属点阵结构，其特征在于：包括空间排列的多个变截面点阵单元；所述变截面点阵单元由多个变截面杆件连接构成。

2.根据权利要求1所述的变截面金属点阵结构，其特征在于：所述变截面杆件中部的直径小于两端的直径。

3.根据权利要求2所述的变截面金属点阵结构，其特征在于：所述变截面杆件的外侧面为光滑表面。

4.根据权利要求1所述的变截面金属点阵结构，其特征在于：所述变截面杆件的杆径方程为：

式中l为变截面杆件的长度，d为变截面杆件的直径，θ为变截面杆件与铅垂线夹角，[σ]为金属材料的许用正应力，q为一根变截面杆件承受的竖直向下的均布荷载；a₀、a₁、a₂为常数。

5.根据权利要求1所述的变截面金属点阵结构，其特征在于：所述变截面点阵单元为基于正棱柱的面心立体单元。

6.根据权利要求5所述的变截面金属点阵结构，其特征在于：所述为正棱柱为立方体。

7.根据权利要求5所述的变截面金属点阵结构，其特征在于：任意相邻两个变截面点阵单元共用一个变截面杆件。

8.一种权利要求1-7任一权利要求所述的变截面金属点阵结构的加工方法，其特征在于：采用选择激光熔融技术逐层烧结而成，加工前金属粉末烧结机的工作仓以氮气作为保护气体保持密封。

9.根据权利要求8所述的变截面金属点阵结构的加工方法，其特征在于：加工过程中，激光功率为200W,扫描速度1000mm/s，扫面间距200μm，单次烧结粉末层厚度为20μm，加工完成的变截面金属点阵结构进行800摄氏度退火热处理。