CN106694884B - 一种具有梯度功能性的镂空点阵夹层及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有梯度功能性的镂空点阵夹层，包括两层包覆板，包覆板之间设置有芯部夹层，芯部夹层包括若干个相互连接的镂空点阵填充单元，每个镂空点阵填充单元内均通过若干个微小密集的镂空胞元组成。本发明通过采用镂空点阵填充单元形成镂空夹层，结构质量轻，比强度高，减重效益最大可达85％以上，同时具备隔热、隔音等功能性效益；实现了结构轻质化和功能化的综合效益提升，避免单一结构夹心板对多工况下应用领域下的性能不匹配现象，最终实现梯度功能；同时采用激光选区熔化技术，可避免传统夹层与外包覆板间连接区域的强度降低风险及复杂的多工序流转，有很好的使用价值。

Description

一种具有梯度功能性的镂空点阵夹层及其制造方法
技术领域
本发明属于镂空结构制备技术领域，具体涉及一种具有梯度功能性的镂空点阵夹层，本发明还涉及一种具有梯度功能性的镂空点阵夹层的制造方法。
背景技术
镂空结构作为一种特殊的材料结构形式，与传统实心材料相比，具有更轻的质量，同时因镂空结构及排布的不同，也会有不同程度的比强度效益(强度/重量之比)。目前镂空结构主要应用于航空航天及医疗领域，例如蒙皮结构、非主承力框架，人体医疗植入体等，因受制于传统加工工艺的工艺局限性，镂空点阵结构形式一般都较为简单，主要以十字交叉形、金字塔形为主，整体强度和功能性都有所欠缺。
选择性激光熔化(SLM)是一种利用激光作为加工介质对金属粉末材料逐层进行加工，从而制造致密金属零件的新型材料加工技术，因其高柔性、高精度的制造加工特点，可将其适用于实际产品中，则会出现整个制造过程不需传统的模具、夹具等配套设施，有效控制产品附加成本的特点，对于复杂结构，其加工优势更为明显，因此，选择性激光熔化技术能高效的制备复杂形式的镂空点阵结构。
传统夹层结构内部填充物多为形式均一的填充或实心结构，不仅质量较大，而且无法实现梯度功能性，传统镂空点阵结构的制备多采用粘接或冲压后焊接的方式，结构自由度受诸多工艺性制约，实现工序步骤多，风险较大，芯部与夹层作为两部分连接在一起，连接区域的强度较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有梯度功能性的镂空点阵夹层，解决了镂空点阵夹层质量较大、整体强度和功能性都有所欠缺，无法实现梯度功能性的问题。
本发明一种具有梯度功能性的镂空点阵夹层所采用的技术方案是，包括两层包覆板，包覆板之间设置有芯部夹层，芯部夹层包括若干个相互连接的镂空点阵填充单元，每个镂空点阵填充单元内均通过若干个微小密集的镂空胞元组成。
本发明的特征在于，
每个镂空点阵填充单元的外接体均为呈正方体的外包轮廓体，且每个外包轮廓体的边长均为3-10mm。
外包轮廓体边长上均匀分布有12-20个结点，外包轮廓体内部均匀分布有9个结点，所有的结点按照特定的空间分布规律连接形成具有空间分布特征的镂空点阵填充单元，特定的空间分布规律为：选取任意结点为确定的结点并作为起始点，采用圆杆将结点两两连接成闭合结构。
圆杆直径为外包轮廓体边长尺寸的5-20％。
任意圆杆与外包轮廓体表面的夹角为35°-45°。
本发明的另一目的是提供一种具有梯度功能性的镂空点阵夹层的制造方法。
本发明一种具有梯度功能性的镂空点阵夹层的制造方法所采用的技术方案是，包括以下步骤：
步骤1，将绘制的镂空点阵夹层结构的三维数据模型转换为STL格式数据并导出；
步骤2，将步骤1得到的STL格式数据导入商用模型剖分软件中，并确定激光选区熔化过程中零件的摆放位置，利用商用模型剖分软件将模型剖分为片层数据导入商用3D打印设备中；
步骤3，制定激光选区熔化加工过程的成形工艺，设定激光选区熔化参数，得到一次整体成形的具有梯度功能性的镂空点阵夹层结构。
本发明的特征还在于，
步骤3中激光选区熔化参数具体为：激光功率300-400KW、扫描速度500-1500mm/s、搭接率30-60％、铺粉层厚0.03-0.08mm。
本发明的有益效果是：本发明一种具有梯度功能性的镂空点阵夹层通过采用镂空点阵填充单元形成镂空夹层，结构质量轻，比强度高，减重效益最大可达85％以上，同时具备隔热、隔音等功能性效益；实现了结构轻质化和功能化的综合效益提升，避免单一结构夹心板对多工况下应用领域下的性能不匹配现象，最终实现梯度功能；同时采用激光选区熔化技术，可避免传统夹层与外包覆板间连接区域的强度降低风险及复杂的多工序流转，有很好的使用价值。
附图说明
图1是本发明一种具有梯度功能性的镂空点阵夹层的结构示意图；
图2是本发明一种具有梯度功能性的镂空点阵夹层中镂空点阵填充单元的结构示意图；
图3是本发明一种具有梯度功能性的镂空点阵夹层中镂空点阵填充单元的实体结构示意图；
图4是本发明实施例1中具有梯度功能性的镂空点阵夹层的剖视图；
图5是本发明实施例2的镂空点阵填充单元的结构示意图；
图6是本发明实施例2的镂空点阵填充单元的实体结构示意图；
图7是本发明实施例2的结构示意图；
图8是本发明实施例2的剖视图。
图中，1.包覆板，2.芯部夹层，3.镂空点阵填充单元，4.外包轮廓体，5.结点，6.圆杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种具有梯度功能性的镂空点阵夹层，如图1所示，包括两层包覆板1，包覆板1之间设置有芯部夹层2，芯部夹层2包括若干个相互连接的镂空点阵填充单元3，每个镂空点阵填充单元3内均通过若干个微小密集的镂空胞元组成。
如图2所示，每个镂空点阵填充单元3的虚拟的外接体均为呈正方体的外包轮廓体4，且每个外包轮廓体4的边长均为3-10mm，正方体状的外包轮廓体4便于芯部夹层2中每个镂空胞元外部接合面能紧密连接，避免出现镂空胞元间结构形式的错层或突变。
考虑到整体的承载均匀性及连接质量，外包轮廓体4边长上均匀分布有12-20个结点5，外包轮廓体4内部均匀分布有9个结点5，所有的结点5按照特定的空间分布规律连接形成具有空间分布特征的镂空点阵填充单元3，特定的空间分布规律为：选取任意结点5为确定的结点并作为起始点，如图3所示，采用圆杆6将结点5两两连接成闭合结构。
圆杆6直径为外包轮廓体4边长尺寸的5-20％。
任意圆杆6与外包轮廓体4表面的夹角为35°-45°，这样可以在选区激光熔化过程中保证结构不需要添加支撑，可一次整体成形。
一种具有梯度功能性的镂空点阵夹层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将绘制的镂空点阵夹层结构的三维数据模型转换为STL格式数据并导出；
步骤2，将步骤1得到的STL格式数据导入商用模型剖分软件中，并确定激光选区熔化过程中零件的摆放位置，利用商用模型剖分软件将模型剖分为片层数据导入商用3D打印设备中；
步骤3，制定激光选区熔化加工过程的成形工艺，设定激光选区熔化参数，得到一次整体成形的具有梯度功能性的镂空点阵夹层结构，其中激光选区熔化参数具体为：激光功率300-400KW、扫描速度500-1500mm/s、搭接率30-60％、铺粉层厚0.03-0.08mm。
实施例1
具有梯度功能性的钛合金镂空点阵夹层的成形制备
(1)设计并绘制钛合金镂空点阵夹层的三维模型
如图2-3所示，设计出菱形的镂空胞元结构，正方体外包轮廓体的边长采用5mm；在外包轮廓体4上确定12个结点5，具体分布为：外包轮廓体4各边长上确定1个结点，共12个结点5；外包轮廓体4内部确定9个结点5，整体镂空点阵填充单元3共有21个结点5，所有的结点5确定遵循规律，规律为将各结点5按照规律连接时：圆杆6与外包轮廓体4表面之间夹角为35°。
将设计好的的镂空点阵夹层结构绘制出来、根据实际装配尺寸及工况设计镂空点阵夹层结构包覆板1和芯部夹层2的尺寸，其适用工况为在某一维度上存在载荷渐变的蒙皮结构及具有类似工况的结构，并将三维数据模型转换为STL格式数据导出。
(2)将STL数据格式导入商用模型剖分软件中，在模型剖分软件中确定零件的摆放位置，摆放零件时以夹心板两实体侧板垂直于成形基材进行摆放，同转变摆放角度使夹心实体板与刮刀运动方向呈60°。
(3)设定加工过程工艺参数：激光功率360kW、扫描速度700mm/s、搭接率35％、铺粉层厚为0.05mm，取钛合金粉末并将均匀的铺在激光选区熔化成形设备成形仓内的成形基材上，并开始向成形仓中通入惰性保护气体，监测成形仓内氧气含量降至0.1％以下，启动成形任务开始零件激光选区熔化加工过程，成形结束后，将成形仓内的残余粉末进行回收，利用压缩空气清理零件上附着的残余金属粉末，如图4所示，得到具有梯度功能性的镂空点阵夹层。
本实施例中的镂空点阵夹层重量为34.3g，对比原始实心面板结构重量为148g，减重幅度达到85％以上，同时因整体结构具有连续的梯度渐变性，可以实现特定工况下的梯度功能性，实现结构功能效益的最大化，采用选区激光熔化技术一次成形具有梯度功能性的镂空点阵夹层结构，整个工艺流程简洁快速，同时避免了传统焊接、粘接工艺所造成的零件各部分工艺连接部位的性能差异隐患的问题。
实施例2
具有梯度功能性的铝合金镂空点阵夹层的成形制备
(1)设计并绘制铝合金镂空点阵夹层的三维模型
如图5-6所示，设计出立方枝杈状的的镂空胞元结构，正方体外包轮廓体的边长采用3mm；在外包轮廓体4上确定20个结点5，具体分布为：外包轮廓体4各顶点确定一个结点5，共8个，各边长上确定1个结点，共12个；外包轮廓体4内部确定9个结点5，整体镂空点阵填充单元3共有29个结点5，所有的结点5确定遵循规律，规律为将各结点5按照规律连接时：圆杆6与外包轮廓体4表面之间夹角为40°。
将设计好的的镂空点阵夹层结构绘制出来、根据实际装配尺寸及工况设计镂空点阵夹层结构包覆板1和芯部夹层2的尺寸；适用工况为在某两个维度上存在载荷渐变的L形板结构及具有类似工况的结构，结构特征为在两个维度上存在载荷渐变的情况，L形板的拐角处在实际应用中相对于板的两头，会存在应力集中，因此为受载强区；将三维数据模型转换为STL格式数据导出。
(2)将STL数据格式导入商用模型剖分软件中，在模型剖分软件中确定零件的摆放位置，摆放零件时以夹心板两实体侧板垂直于成形基材进行摆放，同转变摆放角度使夹心实体板与刮刀运动方向呈45°。
(3)设定加工过程工艺参数：激光功率300kW扫描速度：500mm/s搭接率：30％，铺粉层厚为：0.03mm，取铝合金粉末并将粉末均匀的铺在激光选区熔化成形设备成形仓内的成形基材上，并开始向成形仓中通入惰性保护气体，监测成形仓内氧气含量降至0.1％以下，启动成形任务开始零件激光选区熔化加工过程，成形结束后，将成形仓内的残余粉末进行回收，利用压缩空气清理零件上附着的残余金属粉末，如图7-8所示，得到具有梯度功能性的镂空点阵夹层。
本实施例中的L形板镂空点阵夹层重量约为6g，对比原始实心面板结构重量为30g，减重幅度达到80％以上，同时因整体结构具有连续的双重梯度渐变性，可以实现特定工况下兼顾结构轻量化和承载高效化的双重梯度功能性，实现结构功能效益的最大化，采用选区激光熔化技术一次成形具有梯度功能性的镂空点阵夹层结构，整个工艺流程简洁快速，同时避免的传统焊接、粘接工艺所造成的零件各部分工艺连接部位的性能差异隐患。
实施例3
(1)设计并绘制钛合金镂空点阵夹层的三维模型
设计出菱形的镂空胞元结构，正方体外包轮廓体的边长采用10mm；在外包轮廓体4上确定12个结点5，具体分布为：外包轮廓体4各边长上确定1个结点，共12个结点5；外包轮廓体4内部确定9个结点5，整体镂空点阵填充单元3共有21个结点5，所有的结点5确定遵循规律，规律为将各结点5按照规律连接时：圆杆6与外包轮廓体4表面之间夹角为45°。
将设计好的的镂空点阵夹层结构绘制出来、根据实际装配尺寸及工况设计镂空点阵夹层结构包覆板1和芯部夹层2的尺寸，其适用工况为在某一维度上存在载荷渐变的蒙皮结构及具有类似工况的结构，并将三维数据模型转换为STL格式数据导出。
(2)将STL数据格式导入商用模型剖分软件中，在模型剖分软件中确定零件的摆放位置，摆放零件时以夹心板两实体侧板垂直于成形基材进行摆放，同转变摆放角度使夹心实体板与刮刀运动方向呈60°。
(3)设定加工过程工艺参数：激光功率400kW、扫描速度1500mm/s、搭接率60％、铺粉层厚为0.08mm，取钛合金粉末并将均匀的铺在激光选区熔化成形设备成形仓内的成形基材上，并开始向成形仓中通入惰性保护气体，监测成形仓内氧气含量降至0.1％以下，启动成形任务开始零件激光选区熔化加工过程，成形结束后，将成形仓内的残余粉末进行回收，利用压缩空气清理零件上附着的残余金属粉末，得到具有梯度功能性的镂空点阵夹层。
本发明通过采用镂空点阵填充单元形成镂空夹层，结构质量轻，比强度高，减重效益最大可达85％以上，同时具备隔热、隔音等功能性效益；实现了结构轻质化和功能化的综合效益提升，避免单一结构夹心板对多工况下应用领域下的性能不匹配现象，最终实现梯度功能；同时采用激光选区熔化技术，可避免传统夹层与外包覆板间连接区域的强度降低风险及复杂的多工序流转，有很好的使用价值。

Claims (3)

1.一种具有梯度功能性的镂空点阵夹层，其特征在于，包括两层包覆板(1)，包覆板(1)之间设置有芯部夹层(2)，芯部夹层(2)包括若干个相互连接的镂空点阵填充单元(3)，每个镂空点阵填充单元(3)内均通过若干个微小密集的镂空胞元组成；
每个所述的镂空点阵填充单元(3)的外接体均为呈正方体的外包轮廓体(4)，且每个外包轮廓体(4)的边长均为3-10mm；
每个所述的外包轮廓体(4)边长上均匀分布有12-20个结点(5)，外包轮廓体(4)内部均匀分布有9个结点(5)，所有的结点(5)按照特定的空间分布规律连接形成具有空间分布特征的镂空点阵填充单元(3)，所述的特定的空间分布规律为：选取任意结点(5)为确定的结点并作为起始点，采用圆杆(6)将结点(5)两两连接成闭合结构；
任意所述的圆杆(6)与外包轮廓体(4)表面的夹角为35°-45°。
2.根据权利要求1所述的一种具有梯度功能性的镂空点阵夹层，其特征在于，所述的圆杆(6)直径为外包轮廓体(4)边长尺寸的5-20％。
3.一种如权利要求1所述的具有梯度功能性的镂空点阵夹层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将绘制的镂空点阵夹层结构的三维数据模型转换为STL格式数据并导出；
步骤2，将步骤1得到的STL格式数据导入商用模型剖分软件中，并确定激光选区熔化过程中零件的摆放位置，利用商用模型剖分软件将模型剖分为片层数据导入商用3D打印设备中；
步骤3，制定激光选区熔化加工过程的成形工艺，设定激光选区熔化参数，得到一次整体成形的具有梯度功能性的镂空点阵夹层结构；
所述的步骤3中激光选区熔化参数具体为：激光功率300-400KW、扫描速度500-700mm/s、搭接率30-60％、铺粉层厚0.08mm。
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