CN106247159A - 一种用于金属3d打印的镂空单元体和具有该单元体的零件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于金属3D打印技术的镂空单元体，包括主体结构和延伸结构，主体结构包括以主体筋条为棱组成的十二面体结构，延伸结构包括从十二面体的体对角线方向向外延伸的延伸筋条；主体筋条与投影面的夹角为θ，30°≤θ≤90°。还公开了具有上述镂空单元体的金属零件。本发明的镂空单元体为自支撑结构，适应于金属3D打印成形工艺条件，单元体结构最高减重超过90％，由该单元体通过变大小、变方向、变密度等阵列方式成形出的镂空减重结构具有较好的各向同性和高减重比，提高了零部件的可靠性。

Description

一种用于金属3D打印的镂空单元体和具有该单元体的零件

技术领域

本发明属于金属增材制造技术领域，具体涉及一种适用于金属3D打印技术的镂空单元体，还涉及了具有该镂空单元体的零件。

背景技术

镂空减重结构是由镂空单元结构体在三维空间的规则或者不规则阵列形成的，具有减重效果明显、性能优异等特点，可以满足航空航天、医疗、能源、汽车等行业越来越苛刻的镂空减重需求。

金属3D打印技术以其与传统去除成形和受迫成形完全不同的理念迅速发展成为制造业技术领域新的战略方向。金属3D打印的具体实施过程是首先由设计者在计算机上绘制出所需零件的三维数模；然后对数模进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓；接下来激光扫描，将金属粉末熔化后凝固，并逐层叠加形成三维制件。该技术具有成形精度高、结构复杂、综合性能优异等优势。因此，采用金属3D打印技术成形镂空减重结构，成为镂空减重结构制备的发展方向。金属3D打印技术由于是逐层累加制造，在制造带有悬臂件的悬臂时，其下方需要辅助支撑。

目前镂空单元体普遍停留在设计阶段，无相应的工艺条件约束和参考，设计者无法进行可行的、有效的镂空单元体设计。已经出现的基于金属3D打印的镂空单元体结构对金属3D打印技术的工艺要求考虑不足，有些在成形时需要添加支撑结构，导致后期难以去除；有些虽然结构上可行，但是结构过于简单，轮廓和筋条尺寸设计不合理，没有充分考虑基于金属3D打印技术的镂空单元体的各项特性，无法实现高强度和高减重比的良好匹配。

因此，设计结构适宜且适应于金属3D打印成形的镂空单元体，是保证阵列出的镂空结构具有高减重比，同时满足零部件不同区域的刚度和强度的关键因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于金属3D打印技术的镂空单元体，解决了现有镂空单元体结构设计不合理导致零件减重比不高的问题。

本发明的第二个目的是提供含有该镂空单元体的金属零件。

本发明所采用的一个技术方案是，一种适用于金属3D打印技术的镂空单元体，包括主体结构和延伸结构，主体结构包括以主体筋条为棱组成的十二面体结构，延伸结构包括从十二面体的体对角线方向向外延伸的延伸筋条；主体筋条与投影面的夹角为θ，30°≤θ≤90°。

该结构的特点还在于：

作为优选，十二面体为中心对称结构。

作为优选，主体筋条与投影面的夹角为35°。

进一步地，十二面体优选菱形十二面体。

上述主体筋条和延伸筋条的截面为圆形或任意多边形。

镂空单元体结构基础上可进一步添加或去除主体筋条和/或延伸筋条。

镂空单元体的设计采用拓扑优化方法进行。

本发明所采用的另一个技术方案是，一种具有上述镂空单元体的金属零件。

该金属零件通过3D打印技术制成。

金属零件由所述镂空单元体通过规则或不规则的三维空间阵列形成，所述不规则的三维空间阵列指镂空单元体大小不同，和/或，方向不同，和/或，阵列密度不同。

本发明的有益效果是：

1.本发明的镂空单元体可以完美适应于金属3D打印成形工艺条件，独特的自支撑结构，无需附加的支撑即可直接成形，后续只需简单的表面抛光处理即可获得。2.本发明的镂空单元体，通过调整筋条数量、单元体形状和尺寸，可获得高减重比，单元体结构最高减重超过90％。3.本发明的镂空单元体可通过变大小、变方向、变密度等不同算法的排布，实现镂空减重设计的疏密区域圆滑过渡，避免了从稀疏到密集的应力和性能差异，满足不同零部件的实际载荷需求，提高了零部件的可靠性。

附图说明

图1是本发明镂空单元体的结构示意图；

图2是本发明镂空单元体尺寸形状变化后的结构示意图；

图3a是本发明镂空单元体去除筋条的结构示意图；

图3b是本发明镂空单元体添加筋条的结构示意图；

图4是实施例1的零件设计过程示意图；

图5是实施例2的零件设计过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施方式。

本发明的镂空单元体包括主体结构和延伸结构，主体结构包括以主体筋条为棱组成的十二面体，延伸结构包括从十二面体的体对角线方向向外延伸的延伸筋条；主体筋条与投影面的夹角为θ，30°≤θ≤90°。申请人经过大量的实验得到：当主体筋条与投影面的夹角处于30°～90°范围内时，该结构的镂空单元体本身为自支撑结构，可避免在打印成形过程中添加额外的支撑结构。

作为优选，该十二面体为中心对称结构，如图1所示，保证成形后的镂空结构具有一定的各向同性。十二面体的各边尺寸也可根据强度要求发生变化，如图2所示。

作为优选，主体筋条与投影面的夹角为35°，保证了可成形性。进一步地，该十二面体优选菱形十二面体。

上述主体筋条和延伸筋条的截面可以为圆形或任意多边形。

采用拓扑优化方法进行镂空单元体的设计，可得到同时满足荷载要求和减重要求的镂空单元体。

将上述镂空单元体在三维空间进行规则或者不规则阵列，相邻镂空单元体通过延伸筋条连接，即可形成具有高减重比的镂空减重结构。该镂空单元体在各个方向上的结构差异性小，使成形出的镂空减重结构具有较好的各向同性；当该镂空单元体具有中心对称性时，便于设计时进行不同比例的放大和缩小，而其理论减重比保持不变。

作为改进，以本发明镂空单元体为基础，对其筋条尺寸、筋条截面形状进行变化，或对镂空单元体进行截取、剖分、镜像、蒙皮、添加或去除筋条等方法演变，形成优化的单元体，以其作为整个镂空零件的单元体，也属于本发明的保护范围。例如，在本发明镂空单元体延伸结构的任意两个延伸筋条之间增加连接筋条，如图3b，或者去除主体结构中的若干筋条，如图3a。

将上述镂空单元体在空间进行不规则、变密度排列，再添加到植入体中，可以提升植入体的生物相容性，扩大了金属3D打印技术在医疗行业的应用。

具有本发明的镂空结构单元体的金属零件可通过金属3D打印成形工艺，该工艺包括以下步骤：

步骤1：通过现有的三维建模软件，对待成形金属零件的三维模型进行镂空区域划分，提取出需要做镂空减重设计的区域。

步骤2：利用三维建模软件或者结构设计软件，以本发明的镂空结构单元体为基础，按产品需求对其进行尺寸和位置排布，形成镂空区域。

步骤3：采用三维软件将镂空区域和零件其他区域进行合并，获得镂空减重设计零件。

步骤4：采用商用剖分软件对镂空减重设计零件的三维模型进行分层离散，并根据几何轮廓生成程序；将镂空减重设计零件的打印程序导入金属3D打印成形设备中。

步骤5：选取指定材料的基材和粉末，将成形基材固定在金属3D打印成形设备的成形缸上，金属粉末放入送粉装置中，并向成形室中充入氩气，充入的氩气纯度不低于99.99％，保持成形室中氧含量浓度≤1000ppm的范围内。

步骤6：送粉装置将金属粉末送至成形缸上，铺粉装置将足够的金属粉末均匀的铺在成形缸的基材上，多余的粉末由刮刀送至收粉缸内。激光选择性的照射在金属粉末上，被照射上的粉末熔化，凝固形成实体，单层激光扫描结束后形成零件的单层截面。成形缸下降一层的高度，重复铺粉和成形，层层叠加，直至镂空减重零件完全堆积成形；

步骤7：向成形室中充入氩气，直至成形室中压强达到一个大气压，然后打开成形室，取出成形好的镂空减重零件。

上述步骤2中，可采用商用三维建模软件UG、Solidworks、Catia等，也可采用专业轻量化设计软件Magics、3-Matic等进行镂空减重设计。此外，镂空单元体可在空间实现规则的三维阵列，也可通过变大小，和/或，变方向，和/或，变密度等不同算法的排布，形成不规则的三维阵列，以满足实际的载荷需求。

实施例1

通过3D打印成形铝合金镂空拉伸试样，如图4所示，具体方法为：

通过现有的三维建模软件，对镂空拉伸试样的三维模型进行镂空区域划分，提取出需要做镂空减重设计的区域；利用商用三维建模软件UG软件设计镂空区域，镂空单元体的主体结构为菱形十二面体，八条延伸筋条沿体对角线向外伸出，每根主体筋条与投影面夹角均为35°，延伸筋条组成的外轮廓尺寸为5mm×5mm×5mm(如图1所示a＝5mm)，筋条直径为0.5mm；对该镂空单元体进行一定方向、密度的规则的三维空间阵列，形成镂空区域；将镂空区域和拉伸试样其他区域进行合并，获得最终镂空拉伸试样模型。对该模型进行分层离散，并根据几何轮廓生成程序，并导入金属3D打印成形设备中。设备按照零件单层预定打印程序逐层打印，最终得到所需形状的零件。

本实施例的方法成形的铝合金镂空拉伸试样实际成形重量为164g，同样体积的实体试样理论重量为288g，减重达到40％，具有高减重比。

实施例2

通过3D打印成形钛合金髋臼杯，如图5所示，具体方法为：

通过现有的三维建模软件，对钛合金髋臼杯的三维模型进行镂空区域划分，提取出需要做镂空减重设计的区域；利用商用三维建模软件UG软件设计镂空区域，镂空单元体的主体结构为菱形十二面体，八条延伸筋条沿体对角线向外伸出，每根主体筋条与投影面夹角为35°。对该镂空单元体进行不规则的三维空间阵列，在该过程中，不断变换镂空单元体的主体筋条和/或延伸筋条的尺寸和方向，但始终保证延伸筋条组成的外轮廓尺寸在3mm-6mm之间(如图1所示a、b、c在3mm-6mm之间)，同时通过不同的排列密度，形成变密度的镂空区域。将镂空区域和拉伸试样其他区域进行合并，获得最终镂空拉伸试样模型。对该模型进行分层离散，并根据几何轮廓生成程序，并导入金属3D打印成形设备中。设备按照零件单层预定打印程序逐层打印，最终得到所需形状的零件。

本实施例的方法成形的钛合金髋臼杯实际成形重量为80g，同样体积的实体试样理论重量为115g，减重达到30％，具有高减重比。

本发明以上描述只是部分实施例，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式。上述的具体实施方式是示意性的，并不是限制性的。凡是采用本发明的材料和方法，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，所有具体拓展均属本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于金属3D打印技术的镂空单元体，其特征在于，包括主体结构和延伸结构，主体结构包括以主体筋条为棱组成的十二面体结构，延伸结构包括从十二面体的体对角线方向向外延伸的延伸筋条；主体筋条与投影面的夹角为θ，30°≤θ≤90°。

2.根据权利要求1所述的适用于金属3D打印技术的镂空单元体，其特征在于，所述十二面体为中心对称结构。

3.根据权利要求1或2所述的适用于金属3D打印技术的镂空单元体，其特征在于，所述主体筋条与投影面的夹角为35°。

4.根据权利要求3所述的适用于金属3D打印技术的镂空单元体，其特征在于，所述十二面体为菱形十二面体。

5.根据权利要求4所述的适用于金属3D打印技术的镂空单元体，其特征在于，所述主体筋条和延伸筋条的截面为圆形或任意多边形。

6.根据权利要求4所述的适用于金属3D打印技术的镂空单元体，其特征在于，在所述镂空单元体结构基础上添加或去除所述主体筋条和/或延伸筋条。

7.根据权利要求4所述的适用于金属3D打印技术的镂空单元体，其特征在于，采用拓扑优化方法进行所述镂空单元体的设计。

8.一种具有如权利要求1或2所述的镂空单元体的金属零件。

9.根据权利要求8所述的金属零件，其特征在于，所述金属零件通过3D打印技术制成。

10.根据权利要求9所述的金属零件，其特征在于，所述金属零件由所述镂空单元体通过规则或不规则的三维空间阵列形成，所述不规则的三维空间阵列指镂空单元体大小不同，和/或，方向不同，和/或，阵列密度不同。