CN109737299B - 八面体点阵结构及其衍生拓扑构型点阵结构的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了八面体点阵结构及其衍生拓扑构型点阵结构的加工方法，包括以下步骤：制作面内桁架与面外桁架、通过卡口嵌合法将面内桁架与面外桁架嵌合组装、组装“八面体芯‑八面体”多层构型点阵结构、组装“八面体芯‑八面体芯”多层构型点阵结构，本发明设计的“八面体芯‑八面体”多层构型轻质点阵结构及其衍生的点阵结构具有高的比强度和比刚度，以及高的吸能性，另外，该“八面体芯‑八面体”多层构型点阵结构及其衍生的八面体基点阵结构也可广泛应用于民用领域，作为新型的建筑板材和装修/装饰板材，用于建筑领域结构承重部件，家具和家居建材以及装潢耗材，不但能够提高最终产品的比刚度和比强度，同时可满足用户对于产品美观性的需求。

Description

八面体点阵结构及其衍生拓扑构型点阵结构的加工方法

技术领域

本发明涉及八面体点阵结构及其衍生拓扑构型点阵结构的加工方法，具体是指一种廉价的减材加工法制备“八面体芯-八面体”多层构型点阵结构及其衍生拓扑构型点阵结构。

背景技术

对于结构减重的强烈需求主要来源于能源方面的考虑；举例来说，美国军方在军用车舰运输方面的油耗达到一百万美金/天。数据表明车舰结构每减重10％，燃油消耗可降低10％～15％。同时，对于结构减重的强烈需求也出于对提高军用车舰操控性，移动性能，速度，稳定性等方面性能的要求。多孔点阵结构是目前公认的最为有效的工程减重方案，用以满足航天航海大型构件的结构减重，减低能耗，提高结构的承载效率和功能效率的设计要求，同时具备形状控制、致动、能量吸收和传热等多种功能性。然而设计和制备具有高结构效率(如高比刚度、高比强度、高比断裂韧度等)的点阵结构仍具有挑战性。八面体点阵结构是一种拉伸主导型结构，相比弯曲主导型结构(如泡沫金属或蜂窝结构)具有更高的结构效率：比如，相对密度20％的八面体点阵结构其刚度是同等密度弯曲主导型结构(如泡沫金属)的5倍。同时，八面体拓扑构型优于其他的拓扑构型，如蜂窝结构，金字塔拓扑构型或者Kagome拓扑构型，鉴于八面体点阵结构具有近乎各向同性的力学性能。八面体点阵结构在低密度下失效模式由支杆的塑性失效变成弹性弯曲失效，大大降低了结构的比强度。“八面体芯-八面体”(即八面体芯的八面体)多层构型点阵结构有两个阶度，低阶为八面体拓扑构型，高阶为八面体芯拓扑构型。该多层构型拓扑结构通过提高低阶结构支杆的截面惯性矩提高了其弹性弯曲失效阈值，有效提高了低密度点阵结构的比强度。然而目前缺乏先进的工程制备法制造复杂拓扑构型的点阵结构。

传统的制备点阵结构的工程方法局限于熔融浇筑法和增材制造法，然而这些方法成本高，工艺复杂，同时基体材料中存在气孔等缺陷从而降低了基体材料的本征力学性能；粗糙的表面构成疲劳源；产品的尺寸受限，无法得到可扩展尺寸性生产；另外基体材料的选择性受限，仅限于特定的金属和树脂，而无法应用于很多高性能金属，陶瓷和复合材料。为了解决上述传统制备方法的局限性，设计开发新颖的工程制备法制造点阵结构成为亟待解决的问题。

发明内容

八面体拓扑构型相比其他拓扑构型的优点在于八面体拓扑结构有近乎各向同性的力学性能。以八面体芯为高阶拓扑构型构建八面体的优点在于：其有效提高了低阶八面体支杆的截面惯性矩，提高了抵抗弹性弯曲失效模式的能力，有效提高了低密度下八面体点阵结构的比强度。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：八面体点阵结构及其衍生拓扑构型点阵结构的加工方法，包括以下步骤：

(1)、制作面内桁架与面外桁架，所述面外桁架在结点位置有双驼峰型卡槽，且卡槽宽度为面外桁架的厚度，面外桁架通过正交排列的方式进行卡口嵌合构成金字塔桁架结构，面内桁架和面外桁架厚度相同，面内桁架在结点位置有十字型通孔槽对应金字塔结构的结点位置；

(2)、通过卡口嵌合法将面内桁架与面外桁架嵌合组装，将面外桁架组成的金字塔结构的结点嵌入面内桁架的十字型通孔槽，使得面内桁架和面外桁架通过上述的卡口嵌合法组装成的八面体点阵结构单胞，其中面内桁架在x-y平面，面外桁架在x-z和y-z平面；

(3)、组装“八面体芯-八面体”多层构型点阵结构，包括第一上、下部结构组装、第一中部结构组装、整体机构组装，第一上部结构与第一下部结构的结构相同并相对于第一中部结构成镜面对称，所述第一上、下部结构组装、第一中部结构组装、整体机构组装的组装方式为将其中所需的桁架组员的面外桁架结构单元以正交排列方式进行卡口嵌合，随后通过对应的结点位置将面外桁架单元组装的结构嵌入面内桁架；

(4)、组装“八面体芯-八面体芯”(即八面体芯的八面体芯)多层构型点阵结构，包括第二上部结构组装、第二下部结构组装、第二中部结构组装、整体机构组装，所述第二上部结构组装、第二下部结构组装、第二中部结构组装、整体机构组装的组装方式为将其中所需的桁架组员的面外桁架结构单元以正交排列方式进行卡口嵌合，随后通过对应的结点位置将面外桁架单元组装的结构嵌入面内桁架。

作为改进，所述“八面体芯-八面体”多层构型点阵结构、“八面体芯-八面体芯”多层构型点阵结构中结点结合的方式包括榫卯结合，胶合，焊接，钎焊，扩散焊接中的一种或多种组合。

作为改进，所述面外桁架的结点还具有台阶结构，面内桁架结点处的十字型通孔槽可与面外桁架结点的顶部台阶结构匹配嵌合，使得面内桁架位于上下面外桁架的中间位置。

作为改进，制作金字塔桁架结构的方法还包括：

S11、利用V字形铣刀EDM线切割法对原材料板材进行切削加工，沿正交的两个方向在平面内进行走刀，得到金字塔拓扑构型桁架单元；

S12、平面镂空桁架通过水切割、激光切割或数控雕铣切割法镂空得到；

S13、通过交错逐层组装得到八面体点阵结构，并通过合适的连接方式固定结点；

S14、金字塔拓扑构型桁架机械切削加工时可在其结点处预留出栓突起，在相应的平面桁架的结点处加工出尺寸相匹配的通孔用以进行随后的卡口嵌合。

作为改进，制作金字塔桁架结构的方法还包括：

S21、利用特殊设计的冲压模具，包括阳模，阴模，脱模器，对平面薄板材进行冲孔、镂空、弯折的一次性加工，获得金字塔拓扑构型镂空网桁架单元；

S22、与S21步骤相同，利用特殊设计的冲压模具，包括阳模，阴模，脱模器，对平面薄板材进行冲孔、镂空加工，获得平面镂空网桁架单元；

S23、通过金字塔拓扑构型镂空网桁架单元和平面镂空网桁架单元的交错逐层组装得到八面体点阵结构，并利用合适的粘合剂固定结点；

S24、冲压模具的阴模具有通孔槽，便于冲压出的废料在冲压操作的同时脱离模具，省去清理废料的环节，从而实现快速高效的连续加工制造。

采用以上结构后，本发明具有如下优点：本专利设计的“八面体芯-八面体”多层构型轻质点阵结构及其衍生的点阵结构具有高的比强度和比刚度，以及高的吸能性。由高性能材料板材，如钛合金，铝合金，高熵合金，碳纤维复合材料，甚至高性能陶瓷等材料制备的八面体点阵结构可以用于航空航天飞行器和军用车舰的结构件，大型风力发电机叶片等，用以达到大幅度减重的目的，从而降低能源消耗并提高系统的操控性和工作效率。另外，该“八面体芯-八面体”多层构型点阵结构及其衍生的八面体基点阵结构也可广泛应用于民用领域，作为新型的建筑板材和装修/装饰板材，用于建筑领域结构承重部件，家具和家居建材以及装潢耗材，不但能够提高最终产品的比刚度和比强度，同时可满足用户对于产品美观性的需求。此外，本专利中涉及的拓扑结构均为镂空结构，具有很高的比表面积，小尺度点阵结构可以作为催化剂载体或超级电容器和电池电极支撑体，也可以作为良好的热交换媒介(如新型的散热器)，并有效提高热交换能力；也可以通过在孔隙中填充阻热材料(如隔热棉或气溶胶等)获得有效的隔热效果，应用于热保护系统。

附图说明

图1为八面体点阵结构和其单胞结构的示意图；

图2为八面体、八面体芯、八面体芯-八面体芯、八面体芯-八面体结构单胞的示意图；

图3为八面体结构的减材加工法和嵌合组装法的示意图；

图4为由卡口嵌合法组装的八面体单胞及其基本桁架组员的几何结构示意图；

图5为“八面体芯-八面体”结构单胞的上(下)部结构组装法示意图；

图6为“八面体芯-八面体”结构单胞的中部结构组装法示意图；

图7为“八面体芯-八面体”结构单胞的最终组装法示意图；

图8为制备“八面体芯-八面体”结构单胞所需的所有桁架组员的总汇示意图；

图9为“八面体芯-八面体芯”结构半胞的组装法示意图；

图10为制备“八面体芯-八面体芯”结构半胞所需的所有桁架组员的总汇示意图；

图11为优化前后的桁架结点几何结构示意图；

图12为另外一种减材加工法制备八面体点阵结构的示意图；

图13为优化后的由图12所示的加工法制备的桁架结构的结点结构示意图；

图14为以冲孔弯折法制备八面体点阵结构的示意图；

图15为由异质材料填充八面体基点阵结构孔隙制备复合点阵结构的示意图。

其中，1、平面板材，2、面外桁架，3、面内桁架，4、双驼峰型卡槽，5、十字型通孔槽，6、切割加工，7、面内桁架单元，8、面内桁架单元，9、面外桁架单元，10、面外桁架单元，11、面外桁架单元，12、面外桁架单元，13、面外桁架单元，14、面外桁架单元，15、面外桁架单元，16、面外桁架单元，17、面外桁架单元，18、面外桁架单元，19、面外桁架单元，20、面外桁架单元，21、面外桁架单元，22、面外桁架单元，23、面外桁架单元，24、面外桁架单元，25、面外桁架单元，26、面外桁架单元，27、面外桁架单元，28、面外桁架单元，29、面外桁架单元，30、面内桁架单元，31、面内桁架单元，32、面内桁架单元，33、面内桁架单元，34、面内桁架单元，35、桁架组装部件，36、桁架组装部件，37、第一上、下部结构，38、桁架组装部件，39、第一中部结构，40、面内桁架单元，41、面内桁架单元，42、第二上部结构，43、第二中部结构，44、第二下部结构，45、台阶状结点结构，46、平面镂空桁架，47、V型铣刀，48、EDM线切割线，49、金字塔拓扑构型桁架，50、固定支柱，51、固定底板，52、凸起结点结构，53、通孔槽，54、阳模具，55、阴模具，56、脱模器，57、薄板材，58、废料，59、金字塔拓扑构型镂空网，60、平面镂空网，61、粘合剂，62、异质填充材料。

具体实施方式

结合附图1～15，八面体点阵结构及其衍生拓扑构型点阵结构的加工方法，包括以下步骤：

如图3所示，原材料采用平面板材1，根据具体材料选用合适的切割方法6从平面板材上切割加工出桁架结构单元，为简化起见，我们称图3a中所示的桁架2为面外桁架，图3c中所示的桁架3为面内桁架。

(1)、制作面内桁架3与面外桁架2，所述面外桁架2在结点位置有双驼峰型卡槽4，且卡槽宽度为面外桁架2的厚度(结合图3a)，面外桁架2通过正交排列的方式进行卡口嵌合构成金字塔桁架结构(结合图3b)，面内桁架3和面外桁架2厚度相同，面内桁架3在结点位置有十字型通孔槽5对应金字塔结构的结点位置(结合图3c)；

(2)、(结合图3d)通过卡口嵌合法将面内桁架3与面外桁架2嵌合组装，将面外桁架2组成的金字塔结构的结点嵌入面内桁架3的十字型通孔槽5，使得面内桁架3和面外桁架2通过上述的卡口嵌合法组装成八面体点阵结构单胞(结合图4)，其中面内桁架3在x-y平面，面外桁架2在x-z和y-z平面；

(3)、组装“八面体芯-八面体”多层构型点阵结构，包括第一上部结构37组装(结合图5)、第一下部结构37组装(结合图5)、第一中部结构39组装(结合图6)、整体机构组装(结合图7)，所述第一上部结构37与第一下部结构37的结构相同并相对于第一中部结构39成镜面对称(结合图7)，所述第一上、下部结构37组装、第一中部结构39组装、整体机构组装的组装方式为将其中所需的桁架组员7～34的面外桁架结构单元以正交排列方式(结合图5和图6)进行卡口嵌合，随后通过对应的结点位置将面外桁架单元组装的结构嵌入面内桁架；

(4)、组装“八面体芯-八面体芯”多层构型点阵结构，包括第二上部结构42组装(结合图9a)、第二下部结构44组装(结合9c)、第二中部结构43组装(结合9b)、整体机构组装(结合图9d)，所述第二上部结构42组装、第二下部结构44组装、第二中部结构43组装、整体机构组装的组装方式为将其中所需的桁架组员7～21、24、40、41的面外桁架结构单元以正交排列方式进行卡口嵌合，随后通过对应的结点位置将面外桁架单元组装的结构嵌入面内桁架。

作为本实施例较佳实施方案的是，所述“八面体芯-八面体”多层构型点阵结构、“八面体芯-八面体芯”多层构型点阵结构中结点结合的方式包括榫卯结合，胶合，焊接，钎焊，扩散焊接。

作为本实施例较佳实施方案的是，结合图11，结点的几何结构可被优化从而提高结点的几何结构精度，图11a为原结点几何结构，图11b为优化后的结点几何结构，所述面外桁架2的结点还具有台阶结构45，面内桁架3结点处的十字型通孔槽5可与面外桁架2结点的顶部台阶45匹配嵌合，使得面内桁架3位于上下面外桁架2的中间位置。

结合图12，作为本实施例较佳实施方案的是，制作金字塔桁架结构的方法还包括：

S11、利用V字形铣刀47或EDM线切割法48对原材料板材进行切削加工，沿正交的两个方向在平面内进行走刀(结合图12b)，得到金字塔拓扑构型桁架49；

S12、平面镂空桁架46通过水切割、激光切割或者数控雕铣切割法6镂空得到(结合图12a)；

S13、通过交错逐层组装得到八面体点阵结构(结合图12d)，并通过合适的连接方式固定结点；

结合图13，金字塔拓扑构型桁架49在机械切削加工时可在其结点处预留出栓突起52，在相应的平面桁架46的结点处加工出尺寸相匹配的通孔53用以进行随后的卡口嵌合，从而提高了结点的结合强度。

结合图14，作为本实施例较佳实施方案的是，制作八面体点阵结构的方法还包括：

S21、利用特殊设计的冲压模具，包括阳模54，阴模55，脱模器56，对平面薄板材57进行冲孔、镂空、弯折的一次性加工，获得金字塔拓扑构型镂空网桁架单元59；

S22、利用特殊设计的冲压模具，包括阳模54，阴模55，脱模器56，对平面薄板材57进行冲孔、镂空加工，获得平面镂空网桁架单元60；

S23、通过金字塔拓扑构型镂空网桁架单元59和平面镂空网桁架单元60的交错逐层组装得到八面体点阵结构，并利用合适的粘合剂61固定结点；

S24、冲压模具的阴模55具有通孔槽，便于冲压出的废料58在冲压操作的同时脱离模具，省去清理废料58的环节，从而实现快速高效的连续加工制造。

本发明可以利用泡沫材料(如泡沫铝)或者三明治板材作为原材料板材，制备多层构型八面体点阵结构。从拓扑构型和阶数上衍生：可以得到从一阶到多阶的八面体基点阵结构，或者可以将不同的拓扑构型在不同的阶数上进行组合。另外，可以利用复合材料理念，利用异质材料62，如有机树脂或泡沫，填充八面体点阵结构孔隙构成复合点阵结构(结合图15)。

本发明介绍了减材法制备八面体基点阵结构的方法。值得一提的是，SLA光固化、FDM逐层沉积、SLS选择激光烧结、EBM熔融成型等常用的增材制造法，以及注塑造型法或者失蜡法等也可以用来制备基本桁架组员用于随后的卡口嵌合组装。另外，可以通过简单的机械连接(如边缘带有卡槽的刚性连接部件)来增大最终产品的几何尺寸，亦或可将八面体点阵结构嵌入蜂窝结构的蜂巢中构成复合三明治结构。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.八面体点阵结构及其衍生拓扑构型点阵结构的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、制作面内桁架(3)与面外桁架(2)，所述面外桁架(2)在结点位置有双驼峰型卡槽(4)，且卡槽宽度为面外桁架(2)的厚度，面外桁架(2)通过正交排列的方式进行卡口嵌合构成金字塔桁架结构，面内桁架(3)和面外桁架(2)厚度相同，面内桁架(3)在结点位置有十字型通孔槽(5)对应金字塔结构的结点位置；

(2)、通过卡口嵌合法将面内桁架(3)与面外桁架(2)嵌合组装，将面外桁架(2)组成的金字塔结构的结点嵌入面内桁架(3)的十字型通孔槽(5)，使得面内桁架(3)和面外桁架(2)通过上述的卡口嵌合法组装成的八面体点阵结构单胞，其中面内桁架(3)在x-y平面，面外桁架(2)在x-z和y-z平面；

(3)、组装“八面体芯-八面体”多层构型点阵结构，包括第一上、下部结构(37)组装、第一中部结构(39)组装、整体机构组装，第一上部结构与第一下部结构的结构相同并相对于第一中部结构(39)成镜面对称，所述第一上、下部结构(37)组装、第一中部结构(39)组装、整体机构组装的组装方式为将其中所需的桁架组员(7～34)的面外桁架结构单元以正交排列方式进行卡口嵌合，随后通过对应的结点位置将面外桁架单元组装的结构嵌入面内桁架；

(4)、组装“八面体芯-八面体芯”多层构型点阵结构，包括第二上部结构(42)组装、第二下部结构(44)组装、第二中部结构(43)组装、整体机构组装，所述第二上部结构(42)组装、第二下部结构(44)组装、第二中部结构(43)组装、整体机构组装的组装方式为将其中所需的桁架组员(7～21、24、40、41)的面外桁架结构单元以正交排列方式进行卡口嵌合，随后通过对应的结点位置将面外桁架单元组装的结构嵌入面内桁架。

2.根据权利要求1所述的八面体点阵结构及其衍生拓扑构型点阵结构的加工方法，其特征在于：所述“八面体芯-八面体”多层构型点阵结构、“八面体芯-八面体芯”多层构型点阵结构中结点结合的方式包括榫卯结合，胶合，焊接，钎焊，扩散焊接中的一种或多种组合。

3.根据权利要求1所述的八面体点阵结构及其衍生拓扑构型点阵结构的加工方法，其特征在于：所述面外桁架(2)的结点还具有台阶结构(45)，面内桁架(3)结点处的十字型通孔槽(5)可与面外桁架(2)结点的顶部台阶结构(45)匹配嵌合，使得面内桁架(3)位于上下面外桁架(2)的中间位置。

4.根据权利要求1所述的八面体点阵结构及其衍生拓扑构型点阵结构的加工方法，其特征在于：制作金字塔桁架结构的方法还包括：

S11、利用V字形铣刀(47)EDM线切割法(48)对原材料板材进行切削加工，沿正交的两个方向在平面内进行走刀，得到金字塔拓扑构型桁架单元(49)；

S12、平面镂空桁架(46)通过水切割、激光切割或数控雕铣切割法(6)镂空得到；

S13、通过交错逐层组装得到八面体点阵结构，并通过合适的连接方式固定结点；

S14、金字塔拓扑构型桁架(49)机械切削加工时可在其结点处预留出栓突起(52)，在相应的平面桁架(46)的结点处加工出尺寸相匹配的通孔(53)用以进行随后的卡口嵌合。

5.根据权利要求1所述的八面体点阵结构及其衍生拓扑构型点阵结构的加工方法，其特征在于：制作金字塔桁架结构的方法还包括：

S21、利用特殊设计的冲压模具，包括阳模(54)，阴模(55)，脱模器(56)，对平面薄板材(57)进行冲孔、镂空、弯折的一次性加工，获得金字塔拓扑构型镂空网桁架单元(59)；

S22、利用特殊设计的冲压模具，包括阳模(54)，阴模(55)，脱模器(56)，对平面薄板材(57)进行冲孔、镂空加工，获得平面镂空网桁架单元(60)；

S23、通过金字塔拓扑构型镂空网桁架单元(59)和平面镂空网桁架单元(60)的交错逐层组装得到八面体点阵结构，并利用合适的粘合剂(61)固定结点；

S24、冲压模具的阴模(55)具有通孔槽，便于冲压出的废料(58)在冲压操作的同时脱离模具，省去清理废料(58)的环节，从而实现快速高效的连续加工制造。

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