CN109145404A - 孔隙特性可控和模量匹配的多孔结构建模方法及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种孔隙特性可控和模量匹配的多孔结构建模方法，包括以下步骤：1)设定所述多孔结构特征；2)建立特征曲线；3)建立连续曲面；4)曲面加厚。本发明的建模方法通过严格的参数函数，建立边界曲线，只需在自定义工具中输入需要的胞元所在的正方体空间边长值和厚度值，模型会自动更新最新的参数，无需从第一步开始重复调整，具有非常自由的可调性。

Description

孔隙特性可控和模量匹配的多孔结构建模方法及制备方法

技术领域

本发明涉及一种建模方法，特别是涉及一种孔隙特性可控和模量匹配的多孔结构建模方法及制备方法。

背景技术

在航空航天、生物植入等领域，对零件、植入物都有着轻质化的要求，在生物植入方面，植入物在满足力学要求的同时，有高孔隙率以诱导细胞生长修复的需求。但现有的孔隙结构材料存在孔隙率难精确控制、生产成本高等缺陷。究其原因，其中之一是在结构建模时困难。现有技术中建模一般采取两种方法：一是在空间取结构边界上的特征点，用这些特征点拟合出多项式曲线，再用曲线近似拟合曲面的方法；二是利用结构得数学公式直接得出多孔结构在空间中的多个离散点点云，通过点云逆向求解的方法，得到该多孔结构的小平面特征，进而进行建模及加工。对于前者，由于特征点的量太少，通过特征点拟合出来的曲线与目标多孔结构曲线误差较大，且需要不同尺寸的模型的时候，需要重新取特征点，再拟合曲线曲面，步骤复杂耗时；对于后者，精度比较高，但是缺点是由点云逆向求得的结构是由各点连接而成的小平面特征组成的，而非平滑的曲面特征，无法进行后期的再修改，只能作为加工的模型。

因此本领域技术人员致力于开发一种可根据材料受力需求、方便简单、孔隙率自由可调的多孔结构建模方法，实现模量匹配、材料减重、高孔隙率的目的。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种可根据材料受力需求、方便简单、孔隙率自由可调的多孔结构建模方法，实现模量匹配、材料减重、高孔隙率的目的。

为实现上述目的，本发明提供了一种孔隙特性可控和模量匹配的多孔结构建模方法，包括以下步骤：

1)设定所述多孔结构特征

设定所述多孔结构胞元所在的正方体空间边长为L,该结构满足关系式：

其中，x、y、z代表坐标值，t控制该结构的几何形态参数；

2)建立特征曲线：

采用三维软件建模，取t值为0，令L＝2a确定所述多孔结构的几何形态，得方程式：

其中x∈(-a,a)、y∈(-a,a)、z∈(-a,a)；

画出处于x＝a平面上的三条特征曲线；

①画出第一特征曲线：

已知L∈(-a,a)，长度L＝2a，且处于x＝a的平面上，将x＝a带入式(2)，可得：

根据式(3)可得

将式(5)化作参数方程，引入θ，令θ∈(0,1)

因为y∈(-a,a)，令y＝2×θ×a-a,带入式(5)得：

因此，第一特征曲线可由下列参数方式表示：

根据式(7)采用三维软件，用参数曲线建模，可作出第一特征曲线；

②画出第二特征曲线：

第二特征曲线由第一特征曲线的y∈(0,a)部分曲线向Z轴正方向平移距离a得到，此时y∈(0，a)，故取y＝θ×a，则第二特征曲线的参数方程为：

根据式(8)采用三维软件，用参数曲线建模，可作出第二特征曲线；

③画出第三特征曲线：

第三特征曲线由第一特征曲线的y∈(-a,0)部分向Z轴负方向平移距离a得到，此时y∈(-a,0)，则第三特征曲线的参数方程为：

根据式(9)采用三维软件，用参数曲线建模，可作出第三特征曲线；

④画出第四特征曲线:画出处于y＝a/2平面上的第四特征曲线：

在平面y＝a/2上作出第四特征曲线，令y∈(-a,a)，第四特征曲线的参数方程为：

根据式(10)采用三维软件，用参数曲线建模，可画出第四特征曲线；

⑤将第一特征曲线、第二特征曲线、第三特征曲线、第四特征曲线旋转、平移、镜像至平面：x＝-a,y＝±a,z＝±a及x＝±a/2,y＝±a/2,z＝±a/2，可得骨架特征曲线；

3)建立连续曲面：

在骨架特征曲线中将曲线连成的最小封闭曲面分别在三维软件中生成连续曲面，得基本曲面；

4)曲面加厚：

对基本曲面进行双侧加厚，将其实体化，得到孔隙特性可控和模量匹配的多孔结构模型。

较佳的，所述步骤2)中，骨架特征曲线的建成方式如下：将第一特征曲线、第二特征曲线、第三特征曲线设为特征曲线组一，将所述特征曲线组一绕坐标轴Y轴逆时针旋转90°，再绕Z轴顺时针旋转90°得到特征曲线组二；将特征曲线组一关于平面x＝0镜像，得到特征曲线组三；将特征曲线组二关于平面z＝0镜像，得到特征曲线组四；将特征曲线组二绕X轴顺时针旋转90°再绕Y轴顺时针旋转90°得到特征曲线组五；将特征曲线组五关于平面y＝0对称得到特征曲线组六；将特征曲线组一关于平面y＝0镜像并向X轴负方向平移a长度，得到特征曲线组七；将特征曲线组七绕X轴逆时针旋转90°再绕Z轴顺时针旋转90°得到特征曲线组八；特征曲线组七绕Y轴逆时针旋转90°再绕Z轴逆时针旋转90°得到特征曲面组九；将第四特征曲线向Z轴负方向移动单位a距离得到第五特征曲线；将所述第四特征曲线、第五特征曲线设为为特征曲线组十，将特征曲线组十绕X轴逆时针旋转90°再绕Y轴逆时针旋转90°得到特征曲线组十一；将特征曲线组十绕Z轴逆时针旋转90°并绕X轴顺时针旋转90°得到特征曲线组十二；将特征曲线组十绕X轴顺时针旋转180°得到特征曲线组十三；将特征曲线组十绕X轴逆时针旋转90°并绕Z轴顺时针旋转90°得到特征曲线组十四；将特征曲线组十四绕Y轴顺时针旋转180°得到特征曲线组十五。

所述特征曲线组一至特征曲线组十五组合构成所述骨架特征曲线。

一种如前所述孔隙特性可控和模量匹配的多孔结构的制备方法，采用选择性激光熔化方法制备。

较佳的，采用钛合金粉末作为材料。

较佳的，包括以下步骤：

A.将钛合金粉末预热至60℃；

B.将钛合金粉末逐层铺叠，每铺叠一层钛合金粉末即用激光扫描按所述孔隙特性可控和模量匹配的多孔结构模型烧结该层钛合金粉末，再铺叠下一层钛合金粉末；

其中，所用激光扫描装置与计算机连接。

较佳的，所述激光扫描用激光器的激光功率为170W，扫描速度1000mm/s，扫面间距200μm，烧结粉末层厚度为30μm,最后将加工完成的结构件进行850℃退火热处理。

本发明的有益效果是：本发明通过严格的参数函数，建立边界曲线，保证曲线上任意一点与目标结构完全一致，再通过多条特征曲线共同拟合出所有曲面，得到精度较高的多孔结构模型，只需在自定义工具中输入需要的胞元所在的正方体空间边长值和厚度值，模型会自动更新最新的参数，无需从第一步开始重复调整，具有非常自由的可调性。可根据材料受力需求、方便简单、自由调节孔隙率，实现模量匹配、材料减重、高孔隙率的目的。与一般的杆状结构相比，依照本发明方法建模及方法制备的多孔结构具有更大的比表面积，由平均曲率为零的曲面构成，其内部通道有更加良好的流通性,结构具有更好的力学性能，相对于其他结构而言，在选择性激光融化加工中有着良好的自支撑性能，无需添加外部支撑，该结构可以根据目标工件的受力情况，更改曲面厚度以及单元长度来匹配不同的模量需求，节约了粉末，提升了加工效率，减小了工件质量。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式第一特征曲线的结构示意图。

图2是本发明一具体实施方式第二特征曲线的结构示意图。

图3是本发明一具体实施方式第三特征曲线的结构示意图。

图4是本发明一具体实施方式第四特征曲线的结构示意图。

图5是本发明一具体实施方式骨架特征曲线的结构示意图。

图6是本发明一具体实施方式基本曲面的结构示意图。

图7是本发明一具体实施方式建模得到多孔结构模型结构示意图。

图8是本发明一具体实施方式建模得到多孔结构模型的正面结构示意图。

图9是本发明一具体实施方式采用不同参数得到的不同模型结构示意图。

图10是采用本发明方法运用4组不同的尺寸建立的模型进行内部填充所得的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，需注意的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方式构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

一种孔隙特性可控和模量匹配的多孔结构建模方法，包括以下步骤：

1)设定所述多孔结构特征

设定所述多孔结构胞元所在的正方体空间边长为L,该结构满足关系式：

其中，x、y、z代表坐标值，t控制该结构的几何形态参数。

2)建立特征曲线

采用三维软件建模，本实施例中采用ProE软件，取t值为0，令L＝2a确定所述多孔结构的几何形态，得方程式：

其中x∈(-a,a)、y∈(-a,a)、z∈(-a,a)；

画出处于x＝a平面上的三条特征曲线，本实施例中，a取值为5。

①画出第一特征曲线：

已知L∈(-a,a)，长度L＝2a，且处于x＝a的平面上，将x＝a带入式(2)，可得：

根据式(3)可得

将式(5)化作参数方程，引入θ，令θ∈(0,1)

因为y∈(-a,a)，令y＝2×θ×a-a,带入式(5)得：

因此，第一特征曲线可由下列参数方式表示：

根据式(7)采用三维软件，用参数曲线建模，可作出如图1所示的第一特征曲线。

②画出第二特征曲线

第二特征曲线由第一特征曲线的y∈(0,a)部分曲线向Z轴正方向平移距离a得到，此时y∈(0，a)，故取y＝θ×a，则第二特征曲线的参数方程为：

根据式(8)采用三维软件，用参数曲线建模，可作出如图2所示的第二特征曲线。

③画出第三特征曲线

第三特征曲线由第一特征曲线的y∈(-a,0)部分向Z轴负方向平移距离a得到，此时y∈(-a,0)，则第三特征曲线的参数方程为：

根据式(9)采用三维软件，用参数曲线建模，可作出如图3所示的第三特征曲线3。

④画出第四特征曲线:画出处于y＝a/2平面上的第四特征曲线

在平面y＝a/2上作出第四特征曲线，令y∈(-a,a)，第四特征曲线的参数方程为：

根据式(10)采用三维软件，用参数曲线建模，可作出如图4所示第四特征曲线；

⑤将第一特征曲线、第二特征曲线、第三特征曲线、第四特征曲线旋转、平移、镜像至平面：x＝-a,y＝±a,z＝±a及x＝±a/2,y＝±a/2,z＝±a/2，可得骨架特征曲线；具体方式为：将第一特征曲线、第二特征曲线、第三特征曲线设为特征曲线组一，将特征曲线组一绕坐标轴Y轴逆时针旋转90°，再绕Z轴顺时针旋转90°得到特征曲线组二；将特征曲线组一关于平面x＝0镜像，得到特征曲线组三；将特征曲线组二关于平面z＝0镜像，得到特征曲线组四；将特征曲线组二绕X轴顺时针旋转90°再绕Y轴顺时针旋转90°得到特征曲线组五；将特征曲线组五关于平面y＝0对称得到特征曲线组六；将特征曲线组一关于平面y＝0镜像并向X轴负方向平移a长度，得到特征曲线组七；将特征曲线组七绕X轴逆时针旋转90°再绕Z轴顺时针旋转90°得到特征曲线组八；特征曲线组七绕Y轴逆时针旋转90°再绕Z轴逆时针旋转90°得到特征曲面组九；将第四特征曲线向Z轴负方向移动单位a距离得到第五特征曲线；将第四特征曲线、第五特征曲线设为为特征曲线组十，将特征曲线组十绕X轴逆时针旋转90°再绕Y轴逆时针旋转90°得到特征曲线组十一；将特征曲线组十绕Z轴逆时针旋转90°并绕X轴顺时针旋转90°得到特征曲线组十二；将特征曲线组十绕X轴顺时针旋转180°得到特征曲线组十三；将特征曲线组十绕X轴逆时针旋转90°并绕Z轴顺时针旋转90°得到特征曲线组十四；将特征曲线组十四绕Y轴顺时针旋转180°得到特征曲线组十五。

特征曲线组一至特征曲线组十五组合构成如图5所示的骨架特征曲线。

3)建立连续曲面

在骨架特征曲线中将曲线连成的最小封闭曲面分别在三维软件中生成连续曲面，得基本曲面。

4)曲面加厚

对基本曲面进行双侧加厚，厚度可为T,将其实体化，得到孔隙特性可控和模量匹配的多孔结构模型，如图7和图8所示。

对预留参数L厚度参数T更改，即可得到如图9所示的不同厚度和边长的模型。

根据模量匹配的需求，可以选择不同的结构对目标进行内部填充，达到目标模量匹配，如图10所示，可由4组不同的尺寸的本发明建模形成的结构根据目标样件的工作需求进行模量匹配。

本发明方法制备的所述孔隙特性可控和模量匹配的多孔结构模型可采用选择性激光熔化方法制备。在本实施例中，采用钛合金粉末作为材料。

具体包括以下步骤：

A.将钛合金粉末预热至60℃。

B.将钛合金粉末逐层铺叠，每铺叠一层钛合金粉末即用激光扫描按所述孔隙特性可控和模量匹配的多孔结构模型烧结该层钛合金粉末，再铺叠下一层钛合金粉末。

其中，所用激光扫描装置与计算机连接。

其中，激光扫描用激光器的激光功率为170W，扫描速度1000mm/s，扫面间距200μm，烧结粉末层厚度为30μm,最后将加工完成的结构件进行850℃退火热处理。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种孔隙特性可控和模量匹配的多孔结构建模方法，其特征是：包括以下步骤：

1)设定所述多孔结构特征

设定所述多孔结构胞元所在的正方体空间边长为L,该结构满足关系式：

其中，x、y、z代表坐标值，t控制该结构的几何形态参数；

2)建立特征曲线

采用三维软件建模，取t值为0，令L＝2a，确定所述多孔结构的几何形态，得方程式：

其中x∈(-a,a)、y∈(-a,a)、z(-a,a)；

画出处于x＝a平面上的三条特征曲线；

①画出第一特征曲线：

已知L∈(-a,a)，长度L＝2a，且处于x＝a的平面上，将x＝a带入式(2)，可得：

根据式(3)可得

将式(5)化作参数方程，引入θ，令θ∈(0,1)

因为y∈(-a,a)，令y＝2×θ×a-a,带入式(5)得：

因此，第一特征曲线可由下列参数方式表示：

根据式(7)采用三维软件，用参数曲线建模，可作出第一特征曲线；

②画出第二特征曲线：

第二特征曲线由第一特征曲线的y∈(0,a)部分曲线向Z轴正方向平移距离a得到，此时y∈(0，a)，故取y＝θ×a，则第二特征曲线的参数方程为：

根据式(8)采用三维软件，用参数曲线建模，可作出第二特征曲线；

③画出第三特征曲线：

第三特征曲线由第一特征曲线的y∈(-a,0)部分向Z轴负方向平移距离a得到，此时y∈(-a,0)，则第三特征曲线的参数方程为：

根据式(9)采用三维软件，用参数曲线建模，可作出第三特征曲线；

④画出第四特征曲线:画出处于y＝a/2平面上的第四特征曲线：

在平面y＝a/2上作出第四特征曲线，令y∈(-a,a)，第四特征曲线的参数方程为：

根据式(10)采用三维软件，用参数曲线建模，可画出第四特征曲线；

⑤将第一特征曲线、第二特征曲线、第三特征曲线、第四特征曲线旋转、平移、镜像至平面：x＝-a,y＝±a,z＝±a及x＝±a/2,y＝±a/2,z＝±a/2，可得骨架特征曲线；

3)建立连续曲面

在骨架特征曲线中将曲线连成的最小封闭曲面分别在三维软件中生成连续曲面，得基本曲面；

4)曲面加厚

对基本曲面进行双侧加厚，将其实体化，得到孔隙特性可控和模量匹配的多孔结构模型。

2.如权利要求1所述的孔隙特性可控和模量匹配的多孔结构建模方法，其特征是：所述步骤2)中，骨架特征曲线的建成方式如下：将第一特征曲线、第二特征曲线、第三特征曲线设为特征曲线组一，将所述特征曲线组一绕坐标轴Y轴逆时针旋转90°，再绕Z轴顺时针旋转90°得到特征曲线组二；将特征曲线组一关于平面x＝0镜像，得到特征曲线组三；将特征曲线组二关于平面z＝0镜像，得到特征曲线组四；将特征曲线组二绕X轴顺时针旋转90°再绕Y轴顺时针旋转90°得到特征曲线组五；将特征曲线组五关于平面y＝0对称得到特征曲线组六；将特征曲线组一关于平面y＝0镜像并向X轴负方向平移a长度，得到特征曲线组七；将特征曲线组七绕X轴逆时针旋转90°再绕Z轴顺时针旋转90°得到特征曲线组八；特征曲线组七绕Y轴逆时针旋转90°再绕Z轴逆时针旋转90°得到特征曲面组九；将第四特征曲线向Z轴负方向移动单位a距离得到第五特征曲线；将所述第四特征曲线、第五特征曲线设为为特征曲线组十，将特征曲线组十绕X轴逆时针旋转90°再绕Y轴逆时针旋转90°得到特征曲线组十一；将特征曲线组十绕Z轴逆时针旋转90°并绕X轴顺时针旋转90°得到特征曲线组十二；将特征曲线组十绕X轴顺时针旋转180°得到特征曲线组十三；将特征曲线组十绕X轴逆时针旋转90°并绕Z轴顺时针旋转90°得到特征曲线组十四；将特征曲线组十四绕Y轴顺时针旋转180°得到特征曲线组十五。

所述特征曲线组一至特征曲线组十五组合构成所述骨架特征曲线。

3.一种如权利要求1或2所述的孔隙特性可控和模量匹配的多孔结构的制备方法，其特征是：所述孔隙特性可控和模量匹配的多孔结构采用选择性激光熔化方法制备。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征是：采用钛合金粉末作为材料。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征是：包括以下步骤：

A.将钛合金粉末预热至60℃；

B.将钛合金粉末逐层铺叠，每铺叠一层钛合金粉末即用激光扫描按所述孔隙特性可控和模量匹配的多孔结构模型烧结该层钛合金粉末，再铺叠下一层钛合金粉末；

其中，所用激光扫描装置与计算机连接。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征是：所述激光扫描用激光器的激光功率为170W，扫描速度1000mm/s，扫面间距200μm，烧结粉末层厚度为30 μm,最后将加工完成的结构件进行850℃退火热处理。