CN105798304B - 强化部件和用于制造强化部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及强化部件和用于制造强化部件的方法，特别是一种部件包括布置为呈规则图案以形成介观几何结构的多个基本单元，其中多个基本单元中的每一个基本单元都具有中空多面体的形状。用于制造这样的部件的方法包括使用AM或3D打印技术按规则图案制造多个基本单元以形成介观几何结构。

Description

强化部件和用于制造强化部件的方法
技术领域
本发明涉及一种强化部件和用于制造强化部件的方法，尤其涉及利用增层制造(ALM)、熔融沉积造型(FDM)、选择性激光烧结(SLS)和/或自由实体制造(SFF)工艺的方法。
背景技术
在现代的航空器和航天器中，通常采用纤维增强复合结构，该纤维增强复合结构可能包括夹在外层板之间的芯部结构以增加所生成的部件的刚度、隔离所述部件或简单地提供第三维度上的稳定性和支撑。这样的芯部结构通常通过在形成所述芯部结构的材料中包括空隙、空单元或者气穴或气囊而被设计为多孔或中空结构。通过提供非实心的芯部结构，可以减小整体部件的重量，由此减小航空器的负载，并且结果，减少了航空器的燃料消耗，由此，减小了操作航空器的成本和生态足迹。
目前，以复杂的装配工序组装具有呈规则几何形状的肋部的加强结构(例如蜂窝单元结构)，以便生成具有夹层式芯部结构的部件。该肋部结构以增大部件的抗冲击性且优化冲击能量吸收的方式而被设计。迄今为止，结晶形态结构还难以制造。
2014年的《快速样机成型期刊(Rapid Prototyping Journal)》第20卷第6期第551-558页、作者为Nattapon Chantarapanich、Apinya Laohaprapanon、SirikulWisutmethangoon、Pongnarin Jiamwatthanachai、Prasert Chalermkarnnon、SedthawattSucharitpwatskul、Puttisak Puttawibul以及Kriskrai Sitthiseripratip，且名称为“利用选择性激光熔化的用于航空应用的三维蜂窝结构的制造：初步调查(Fabrication ofthree-dimensional honeycomb structure for aeronautical applications usingselective laser melting:a preliminary investigation)”的文章披露了用于航天应用中的基于选择性激光熔化技术的三维蜂窝的设计和制造。
Oscar Efraín Sotomayor Gálvez文档，即名称为“使用沃罗诺伊图的随机2D和3D结构泡沫的数值模拟：单元规则性和压缩响应的研究(Numerical Modeling of Random 2Dand 3D Structural Foams Using Voronoi Diagrams:A Study of Cell Regularity andCompression Response)”，从以下网址“http://www.eng.auburn.edu/～htippur/master' s％20thesis％20version％2029_b lack_yelow_pages.pdf”中可获得的2013年的硕士论文披露了用于使用增材制造来生产Voronoi蜂窝的方法。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供用于部件、尤其是用于在飞机和航空电子设备中所使用的部件的技术方案，其采用用于减小航空器和航天器的系统重量同时维持部件的期望刚度、稳定性和抗冲击性的轻量设计方法。
该目的是通过具有权利要求1的特征的部件和具有权利要求10的特征的用于制造部件的方法而实现的。
本发明的第一方面涉及一种部件，包括：多个基本单元，该多个基本单元布置为呈规则图案以形成介观几何结构，其中，所述多个基本单元中的每一个都具有中空多面体的形状。
根据本发明的第二方面，用于制造部件的方法包括如下步骤：使用AM或3D打印技术制造呈规则图案的多个基本单元，以形成介观几何结构。
本发明所基于的构思是通过模仿晶体形态学来设计轻量化部件。因此，强化部件可以作为由被设计为规则的中空多面体的微观中空基本单元所构成的介观几何结构而被制造。该中空基本单元布置为呈规则的或半规则的图案，由此模制该部件的介观几何结构。
使用3D打印工艺，特别是熔融沉积造型(FDM)技术或粉末层熔化(PBF)技术，那些强化部件可以用具备成本和时间效益的生产方式被制造为一体对象。在两种情况下，用于形成强化部件的基本单元所需的材料量被最小化。因此，以此方式制造的部件提供了节省重量的优点，这在飞机和航空电子设备中特别有利。
一般地，本发明的方案为3D打印或增材制造(AM)技术提供了极大的优点，因为3D部件可以在不额外需要使部件或对象经受进一步的加工步骤(例如铣削、切削或钻削)的情况下被打印。这允许用于对象的更高效、更节省材料且更节省时间的制造工艺。
一般地，与采用AM技术用于打印用在空运交通工具中或作为空运交通工具的零件的结构部件或所使用的其它对象随之而来的特别的优点是成本的降低、重量的减小、生产周期的缩短、零件数量的减少、以及制造复杂性的降低。其还可以在例如汽车或轨道车辆的陆运交通工具中，以及在例如潜艇、艇或船的海运交通工具中采用这样的结构部件。此外，打印的结构部件或对象的几何形状可以根据该部件/对象的零件或区域的预期技术目的而被柔性地设计。
通过这样的制造方法所获得的强化部件对于展示出具有高稳定性和优化的重量刚度比的机械性能的它们结晶形态结构的相似性是特别有利的。这样的部件非常适用于撞击或冲击吸收器的实施以及航空器和航天器中的结构部件的支撑元件。
根据所述部件的一个实施例，所述多个基本单元中的每一个基本单元可具有规则的、凸起的多面体的外形，特别是截去顶端的八面体、未截去顶端的八面体、四面体、双四面体、多边形棱柱体、十二面体、二十面体、三十二面体、三角面多面体和立方体中的一个的外形。
根据所述部件的又一实施例，所述多个基本单元中的每一个基本单元可在多面体形状的外壁中包括至少一个孔。这尤其适用于粉末层应用和液体打印应用，其中未凝固的粉末应被有利地在打印之后从打印结构中移除。对于熔融沉积造型应用，这样的孔可能不是必须的，因为在打印之后没有剩余的材料留在部件内。
根据所述部件的又一实施例，所述基本单元可以组装为呈仅通过所述基本单元的平移复位而获得的规则图案。
根据所述部件的又一实施例，多个基本单元的第一子组可以具有第一多面体尺寸，并且多个基本单元的第二子组可以具有不同于所述第一多面体尺寸的第二多面体尺寸。
根据所述部件的又一实施例，中空多面体可以具有外壁，该外壁具有预定的恒定厚度，该外壁包围位于基本单元的多面体形状内的中空部。
根据所述部件的又一实施例，多个基本单元中的每一个基本单元的向内面朝介观几何结构内部区域的每一个表面可以与多个基本单元中的相邻一个基本单元的面朝内的表面交界。
根据所述部件的又一实施例，多个基本单元中的每一个基本单元使用AM或3D打印技术而被一体地制造。
根据所述方法的一个实施例，制造步骤可以利用3D打印工艺执行，该3D打印技术尤其包括熔融沉积造型即FDM，或粉末层打印即PBP。
在PBP的情况下，该方法还可以在又一实施例中包括如下步骤：在多个基本单元中的每一个基本单元的外壁中钻取孔，并且通过外壁中的孔从多个基本单元中的每一个基本单元内的中空空间中移除未凝固的粉末。
根据该方法的又一实施例，该方法还可以包括如下步骤：将介观几何结构嵌入两个或多个板部件内，以形成经强化的部件。
根据本发明的又一方面，一种计算机可读取介质可以包括计算机可执行指令，当在数据处理装置上被执行时，该计算机可执行指令使得所述数据处理装置执行根据本发明的方法。
附图说明
将参照附图中所描述的示例性实施例更详细解释本发明。
附图被包括以提供对于本发明的进一步理解，并且附图被包括在说明书中并且构成该说明书的一部分。附图图示了本发明的实施例，并且与说明书一起用来解释本发明的原理。通过参照下面的详细说明，本发明的其它实施例以及本发明的多个预期优点将是易于领会到的，因为它们变得更容易被理解。附图中的元件不必相对于彼此成比例。相似的附图标记表示相应的类似零件。
图1以等轴测视图示意性地图示了根据本发明的实施例的示例性的基本单元。
图2示意性地图示了根据本发明的又一实施例的包括图1的基本单元的介观部件结构。
图3以等轴测视图示意性地图示了根据本发明的另一实施例的另一示例性的基本单元。
图4示意性地图示了根据本发明的又一实施例的包括图3的基本单元的介观部件结构。
图5以等轴测视图示意性地图示了根据本发明的另一实施例的另一示例性的基本单元。
图6示意性地图示了根据本发明的又一实施例的包括图5的基本单元的介观部件结构。
图7以等轴测视图示意性地图示了根据本发明的另一实施例的另一示例性的基本单元。
图8示意性地图示了根据本发明的又一实施例的包括图7的基本单元的介观部件结构。
图9示意性地图示了根据本发明的另一实施例的用于制造部件的方法的流程图。
附图标记列表：
10 基本单元
20 部件
30 基本单元
40 部件
50 基本单元
60 部件
70 基本单元
80 部件
M 方法
M1 方法步骤
M2 方法步骤
M2 方法步骤
M2 方法步骤。
具体实施方式
在附图中，相同的附图标记表示相同或功能上相同的部件，除非另有说明。例如“顶”、“底”、“左”、“右”、“上”、“下”、“水平”、“竖直”、“前”、“后”的方向术语以及类似术语仅用于说明目的，且并不旨在将实施例限定在如附图中所示的特定设置中。
虽然本文中已图示且描述了特定实施例，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，各种替代和/或等效的实施方式可以代替图示和描述的特定实施例。一般地，本申请旨在覆盖本文中所讨论的特定实施例的任何改变或变型。
通常被称为3D打印技术的增层制造(ALM)、选择性激光烧结(SLS)和自由实体制造(SFF)技术可以基于数字模型数据而被用在用于构建三维实体对象的工序中。目前，3D打印用于具有在工程、建筑、工业设计、汽车工业和航空航天工业中的多个应用的样机或原型成型和分布制造。
自由形态制造(FFF)、直接制造(DM)、熔融沉积造型(FDM)、粉末层打印(PBP)、分层实体制造(LOM)、立体平版印刷或立体光刻(SL)、选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔化(SLM)、选择性热烧结(SHS)、电子束熔化(EBM)、直接油墨书写或直写成型技术(DIW)、数字光处理(DLP)和增层制造(ALM)属于增材(AM)方法的一般层级。那些系统用于通过生成待形成对象的横截面图案来产生三维对象并且通过顺序地累积材料层来形成三维实体对象。在不损失普遍性的情况下这些工序中的任一个在下面的描述中将被称为AM或3D打印。AM或3D打印技术通常包括根据需要选择性地逐层沉积材料、选择性地熔化或凝固所述材料并且去除过量的材料。
本公开的含义中的粉末层打印(PBP)工艺具体包括使用金属、陶瓷、聚合物、和通过将颗粒暴露于一个或多个热能源(一般例如激光、电子束或红外源)而引发所述颗粒熔化的复合粉末材料的任何增材制造工艺。本公开的含义中的熔融沉积造型(FDM)工艺包括用来通过逐层挤出可流动材料并且将所述材料作为一系列的轨迹沉积在先前沉积的材料上以使得当温度下降时所述轨迹的沉积材料与先前沉积的材料相融合来从三维零件的数字表示生成三维零件或部件的工艺。
图1以外观图A以及剖视图B二者示意性地图示了强化部件的示例性的基本单元10。该示例性的基本单元10例如可以用在诸如图2中示例性地示出的强化部件20中。图3以外观图A以及剖视图B二者示例性地图示了强化部件的另一个示例性的基本单元30。该示例性的基本单元30例如可以用在诸如图4中示例性地示出的强化部件40中。图5以外观图A以及剖视图B二者示例性地图示了强化部件的另一个示例性的基本单元50。该示例性的基本单元50例如可以用在诸如图6中示例性地示出的强化部件60中。图7以外观图A以及剖视图B二者示例性地图示了强化部件的另一个示例性的基本单元70。该示例性的基本单元70例如可以用在诸如图8中示例性地示出的强化部件80中。
所有的示例性的基本单元10、30、50和70可以使用AM或3D打印技术而一体地制造。特别地，该部件的最终完整的介观几何结构可以在单独的打印会话期间中被3D打印。特别地，示例性的基本单元10、30、50和70可以由适于AM或3D打印技术、尤其是粉末层打印或熔融沉积造型的任何材料来一体地制造。本领域技术人员应该清楚的是，图2、4、6和8中示出的介观几何结构20、40、60和80仅是示例性的，并且除具体图示的介观几何结构之外的其它介观几何结构也可以由微观基本单元10、30、50和70构建。
特别地，示例性的基本单元10、30、50和70可以形成为具有预定的(特别是恒定的)厚度的外壁的中空多面体，该外壁呈包围着位于基本单元的多面体形内的中空部或空隙的多面体形状。特别地，基本单元10、30、50和70的几何形状可以是规则的且凸面的多面体，即其面、边和顶点本身不会与使得包含在该多面体的外表面的内部中的多面体的任何两个点联结起来的线段相交的多面体。更具体地，基本单元10、30、50和70可以具有柏拉图多面体即正多面体、阿基米德多面体或加泰朗多面体的外形。
用来形成基本单元10、30、50和70外部几何形状polygonal prisms的多面体的示例可以包括被截去顶端和未被截去顶端的八面体、四面体、双四面体、多边形棱柱体、十二面体、二十面体、三十二面体、三角面多面体(deltahedra)和立方体。
基本单元10、30、50和70可以布置成规则图案，以形成强化部件20、40、60或80的介观几何形状。为此，基本单元10、30、50和70可以全部沿共同的对齐方向对齐，即，基本单元10、30、50和70可以组装为呈仅通过基本单元10、30、50和70的平移复位而获得的图案。可以使用具有共同尺寸的基本单元10、30、50和70来制造强化部件20、40、60或80的介观几何形状。可替代地，可以使用相对于彼此对齐为呈规则图案的具有不同尺寸的两组或多组基本单元10、30、50和70。基本单元10、30、50和70的布置可以设计成使得每一个基本单元10、30、50和70的向内面朝介观几何结构的内部区域的每一个表面与相邻的基本单元10、30、50和70的面朝内表面相交界，即，强化部件20、40、60、80在基本单元10、30、50和70之间没有内部中空空隙或间隙的情况下形成。可替代地，可以在强化部件20、40、60、80的图案组件内在基本单元10、30、50和70之间留出中空空隙或间隙。以此方式，强化部件20、40、60、80的密度可以根据需要调整。
图9示出了用于制造例如分别如图2、4、6和8中所示的强化部件20、40、60或80的部件的方法M的流程图的示意图示。在M1处，使用AM或3D打印技术(例如熔融沉积造型即FDM，或粉末层打印即PBP)来制造多个基本单元。按规则图案布置多个基本单元以形成介观几何结构，来获得强化部件，例如结合图1至8而示例性示出的部件20、40、60、80。介观几何结构可以“在一个步骤中即一次地”打印，即，整个部件可以在单个打印工序中被一体地打印。
FDM打印技术尤其适用于不具有超过预定的制造阈值的固有外悬角或底切的任何多面体微观结构，例如双四面体或八面体。在该情况下，FDM提供在不需要额外的支撑材料或元件的情况下制造基本单元的机会，因为多面体的中空形状在一体打印期间是自支撑的。对于特定的多面体微观结构，打印方向可以确定为使得没有表面包含超过预定制造阈值的外悬角。例如，立方体结构可以利用沿介于立方体的两个在直径上相对的顶点之间的对角线而定向的打印方向来被打印，从而使得待打印的表面的外悬角将不超过45度。
PBP还可以被用于例如具有超过预定的制造阈值的固有外悬角或底切的任何多面体微观结构，诸如立方体或六角柱。当应用所述PBP技术来打印中空多面体时，多面体结构的外壁内的粉末不凝固。在每一个基本单元的制造之后，可以在M2在多个基本单元中的每一个中钻取孔或过孔。然后，在M3，可以通过外壁中的孔从多个基本单元中的每一个内的中空空间中移除未凝固的粉末。外壁中的孔或过孔可以保持得足够小，以不会显著影响基本单元的机械性能，例如刚度、机械稳定性或抗屈曲强度。
最后，在M4，该方法可以包括将介观几何结构嵌入于两个或多个板部件内以形成经强化的部件。以此方式，具有轻量的强化芯部的夹层结构可以有利地以具有缩短的生产周期和较少的材料浪费的有成本效益的方式而制造。该夹层结构还可以在单个生产步骤中制造，从而使得具有夹层芯部的板部件的一体部件可以用高效的方式制造。
在前述的详细描述中，为了使本公开通顺的目的，各个特征在一个或多个例子或示例中被组合在一起。应理解的是，上述说明旨在示例性地说明，且并不旨在限制。意图覆盖所有的替代方式、修改和等效物。在审视上述说明书的基础上，许多其他示例对于本领域技术人员将显而易见。
所述实施例被选择和描述以便最好地解释本发明的原理及其实际应用，由此使得本领域的其它技术人员能够最好地利用本发明和具有适用于所预想特定用途的各种修改的各种实施例。在附属的权利要求和整个说明书中，术语“包括(including)”和“其中(inwhich)”分别作为相应的术语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”的通俗英语的等效物使用。此外，在本发明中“一(a)”或“一个(one)”不排除多个。

Claims (13)

1.一种用于航空器和航天器的强化部件(20；40；60；80)，包括：
多个基本单元(10；30；50；70)，该多个基本单元布置为呈规则图案以形成介观几何结构，
其中，所述多个基本单元(10；30；50；70)中的每一个基本单元具有下列之一的规则的、凸起的并且中空多面体的外形：未截去顶端的八面体、四面体、双四面体、十二面体、二十面体、三十二面体、和三角面多面体，并且
其中，所述中空多面体的面由外壁形成，所述外壁具有预定的厚度，所述外壁包围位于基本单元的多面体形状内的中空部或空隙。
2.根据权利要求1所述的部件(20；40；60；80)，其中所述多个基本单元(10；30；50；70)中的每一个基本单元包括位于多面体形状的外壁中的至少一个孔。
3.根据权利要求1或2所述的部件(20；40；60；80)，其中所述基本单元(10；30；50；70)组装为呈仅通过所述基本单元(10；30；50；70)的平移复位获得的规则图案。
4.根据权利要求1所述的部件(20；40；60；80)，其中多个基本单元(10；30；50；70)的第一子组具有第一多面体尺寸，并且多个基本单元(10；30；50；70)的第二子组具有不同于所述第一多面体尺寸的第二多面体尺寸。
5.根据权利要求1所述的部件(20；40；60；80)，其中中空多面体具有外壁，该外壁具有预定的恒定厚度，该外壁包围位于基本单元(10；30；50；70)的多面体形状内的中空部。
6.根据权利要求1所述的部件(20；40；60；80)，其中多个基本单元(10；30；50；70)中的每一个基本单元的向内面朝介观几何结构内部区域的每一个表面与多个基本单元(10；30；50；70)中的相邻一个基本单元的面朝内的表面交界。
7.根据权利要求1所述的部件(20；40；60；80)，其中多个基本单元(10；30；50；70)中的每一个使用AM或3D打印技术一体地制造。
8.用于制造根据权利要求1所述的部件(20；40；60；80)的方法(M)，该方法(M)包括如下步骤：
使用AM或3D打印技术制造(M1)呈规则图案的多个基本单元(10；30；50；70)，以形成介观几何结构。
9.根据权利要求8所述的方法(M)，其中3D打印技术包括熔融沉积造型(FDM)。
10.根据权利要求8所述的方法(M)，其中3D打印技术包括粉末层打印(PBP)。
11.根据权利要求10所述的方法(M)，还包括如下步骤：
在多个基本单元(10；30；50；70)中的每一个基本单元的外壁中钻取(M2)孔；并且
通过外壁中的孔从多个基本单元(10；30；50；70)中的每一个基本单元内的中空空间中移除(M3)未凝固的粉末。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法(M)，还包括如下步骤：
将介观几何结构嵌入(M4)两个或多个板部件内，以形成经强化的部件；或者
将介观几何结构与两个或多个板部件一体打印，以形成经强化的部件。
13.一种包括计算机可执行指令的计算机可读取介质，当在数据处理装置上执行时，该计算机可执行指令使得所述数据处理装置执行根据权利要求8至12中任一项所述的方法。
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