CN110546422A - 用于结构轻量化的各向同性壳结构晶胞的设备 - Google Patents

用于结构轻量化的各向同性壳结构晶胞的设备 Download PDF

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CN110546422A
CN110546422A CN201880025653.1A CN201880025653A CN110546422A CN 110546422 A CN110546422 A CN 110546422A CN 201880025653 A CN201880025653 A CN 201880025653A CN 110546422 A CN110546422 A CN 110546422A
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丹尼尔·杰森·埃诺
迈克尔·柯蓝·莫辛斯基
威廉·德怀特·格斯特勒
托马斯·坦科尼-德吉恩
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Abstract

壳晶胞结构包括至少一个结点和多个连接件。多个连接件联接到至少一个结点。至少一个结点和多个连接件形成完整的表面。壳晶胞结构具有各向同性的硬度。

Description

用于结构轻量化的各向同性壳结构晶胞的设备
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年4月17日提交的美国临时专利申请号62/486,323的权益，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开的领域大体涉及用于内部轻量化的晶胞结构的设备，更特别地，涉及用于各向同性壳结构晶胞的设备。
背景技术
使用增材制造来制造至少一些部件，用于内部轻量化。内部轻量化使用周期性内部晶胞结构来替换实心部件的内部结构。每个内部晶胞结构包括节点和联接到该节点的至少一个梁。每个梁联接到另一内部晶胞结构的节点，以在部件内形成重复的周期性晶格结构。内部晶胞结构减少其它实心部件的重量，同时保持部件承载载荷的能力。然而，至少一些这种内部晶胞结构是正交各向异性的，或者在第一方向上比在第二方向上更硬。
至少一些内部晶胞结构包括中空节点和梁(或壳结构)，以进一步减少晶格结构的质量和重量，同时保持部件承载载荷的能力。这种内部壳晶胞结构也是正交各向异性的，或者在第一方向上比在第二方向上更硬。如果含有壳晶胞晶格结构的部件被非对称地加载，则部件在第一方向上的硬度不同于部件在第二方向上的硬度。因而，含有壳晶胞晶格结构的轻量化部件对非对称加载不会有与没有晶格结构的实心部件相同的反应。
发明内容
在一个方面，提供有一种壳晶胞结构。壳晶胞结构包括至少一个结点和多个连接件。多个连接件联接到至少一个结点。至少一个结点和多个连接件形成完整的表面。壳晶胞结构具有各向同性的硬度。
在又一方面，提供有一种部件。该部件包括晶格结构，晶格结构包括多个壳晶胞结构。多个壳晶胞结构中的每个壳晶胞结构包括至少一个结点和多个连接件。多个连接件联接到至少一个结点。至少一个结点和多个连接件形成完整的表面。壳晶胞结构具有各向同性的硬度。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地了解本公开的这些及其它特征、方面和优点，附图中，类似的字符在所有附图中表示类似的零件，其中：
图1是带有示范性晶格结构的部件的局部剖切立体视图；
图2是图1中示出的晶格结构的示范性晶胞的立体视图；
图3是图2中示出的晶胞的示范性结点的立体视图；
图4是图2中示出的示范性晶胞的侧视图；
图5是图1中示出的晶格结构的另一示范性晶胞的立体视图；
图6是用于与图1中示出的晶格结构一起使用的替代的示范性单个壳晶胞结构的立体视图；
图7是图6中示出的壳晶胞结构的前视图；以及
图8是绕着图7的截线8-8截取的壳晶胞结构的截面视图。
除非另有指示，否则，文中提供的附图意指图示本公开的实施例的特征。相信这些特征适用于包含本公开的一个以上实施例的繁多种类的系统。如此，附图并不意指包括本领域普通技术人员已知的用于实践文中公开的实施例的所有常规特征。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求书中，将参考许多用语，用语应被限定为具有以下含义。
除非上下文另有清楚指明，否则，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代。
“可选的”或“可选地”意指随后描述的事件或情境可能发生或可能不发生，并且该描述包括事件发生的实例和事件不发生的实例。
通篇说明书和权利要求书文中使用的近似语言可以应用于修饰任何定量表示，该表示可以允准变化而不造成其所涉及的基本功能的变动。由此，用语或各用语诸如“约”，“近似”和“大致”所修饰的数值不限于指定的精确数值。在至少一些实例中，近似语言可以对应于用于测量数值的仪器的精度。这里及通篇说明书和权利要求书中，范围限制可以被组合和/或互换，这种范围被识别并包括其中含有的所有子范围，除非上下文或语言另有指明。
文中描述的各向同性壳结构晶胞的实施例有助于使用增材制造处理来制造部件，其中该部件包括带有各向同性的硬度的内部晶格结构。晶格结构包括在部件内以晶格构造布置的多个晶胞结构。每个晶胞结构包括至少一个结点和联接到结点的多个连接件。每个连接件联接到另一晶胞结构的连接件，以在部件内形成重复的周期性晶格结构。形成晶胞结构的结点和连接件是中空的，以此形成壳晶胞。结点和连接件形成完整的表面，完整的表面形成晶格结构。由多个壳晶胞结构形成的晶格结构替换在部件内的实心材料或结构。晶格结构减少部件的重量，同时保持部件承载载荷的能力。通过减少各个晶胞的质量和重量，壳晶胞结构进一步减少部件的重量。
壳晶胞的每个结点包括联接到连接件的多个连接点。每个结点进一步包括壁厚度和结点长度。此外，壳晶胞的每个连接件和连接部位包括直径。另外，每个连接件包括连接件长度和壁厚度。结点和连接件壁厚度、结点长度、连接件直径以及连接件长度构造成使得壳晶胞的硬度是各向同性的，并且因此，具有内部晶格结构的部件是各向同性的。也即，当在不同方向上测量时，部件的硬度是大致相同的数值。部件的各向同性的硬度允许部件以与实心部件对非对称载荷做出反应相同的方式对非对称载荷做出反应。这有助于在不用关心用以形成部件的材料的非对称强度的情况下设计部件。
增材制造处理及系统包括，例如但不限于，光聚合、粉末床融合、粘合剂喷射、材料喷射、片层压、材料挤出、定向能量沉积和混合系统。这些处理及系统包括，例如但不限于，SLA-立体光刻设备，DLP-数字光处理，3SP-扫描、回转和选择性光固化，CLIP-连续液体界面生产，SLS-选择性激光烧结，DMLS-直接金属激光烧结，SLM-选择性激光熔化，EBM-电子束熔化，SHS-选择性热烧结，MJF-多喷射融合，3D打印，Voxeljet，Polyjet，SCP-平滑曲率打印，MJM-多喷建模投射，LOM-层压物体制造，SDL-选择性沉积层压，UAM-超声波增材制造，FFF-熔丝制备，FDM-融合沉积造型，LMD-激光金属沉积，LENS-激光工程化净成形，DMD-直接金属沉积，混合系统，以及这些处理及系统的组合。这些处理及系统可以采用，例如但不限于，所有形式的电磁辐射、加热、烧结、熔化、固化、粘合、固结、压制、嵌入及其组合。
增材制造处理及系统采用材料，包括，例如但不限于，聚合物、塑料、金属、陶瓷、砂、玻璃、蜡、纤维、生物材料、复材以及这些材料的混合。这些材料可以视对于给定材料和处理或系统的合理性而以各种形式用在这些处理及系统中，包括，例如但不限于，液体、固体、粉末、片材、箔、带、长丝、丸粒、液体、浆液、丝线、雾化、糊状物及这些形式的组合。
图1是带有晶格结构102的示范性实施例的部件100的局部剖切视图。在示范性实施例中，晶格结构102替换部件100内的实心材料或结构，并且有助于减少部件100的重量，同时保持部件100承载载荷(诸如，载荷104、106和108)的能力。晶格结构102包括在部件100内以晶格构造布置的多个壳晶胞结构110。
壳晶胞结构110构造成使得部件100的硬度是各向同性的。也即，部件100的硬度在所有方向上大致相似。如图1中图示的，三个载荷104、106和108被施加到部件100。载荷104向部件100施加竖直载荷。载荷106向部件100施加角向载荷，并且包括水平分量112和竖直分量114。侧载荷108向部件100施加角向载荷，并且包括水平分量116和竖直分量118。在示范性实施例中，晶格结构102和壳晶胞结构110构造成使得部件100的硬度大致相似，无论竖直载荷分量104、114和118被施加到部件100，还是水平载荷分量112和116被施加到部件100。此外，晶格结构102和壳晶胞结构110构造成使得当部件100被非对称地加载时，部件100的硬度大致相似。也即，当仅左侧载荷106、右侧载荷108或竖直载荷104被施加到部件100时，部件100的硬度大致相似。因而，部件100的各向同性硬度允许部件100以与实心部件对非对称载荷做出反应大致相似的方式对非对称载荷做出反应。
图2是壳晶胞结构(诸如，壳晶胞结构110)的一个构造的示范性实施例的立体视图。
图3是壳晶胞结构110的结点202的示范性实施例的立体视图。图4是结点202的侧视图。在示范性实施例中，壳晶胞结构110包括至少一个结点202和多个连接件204。特别地，壳晶胞结构110的示范性实施例包括一个结点202和联接到结点202的六个连接件204。在示范性实施例中，壳晶胞结构110是一族的晶胞，可以称之为坐标轴型晶胞。也即，连接件204中的每一个沿着平行于由坐标系统201图示的三个轴线(X、Y和Z)中的一个的线远离中心结点202地延伸。坐标系统201包括成对地垂直的有序三元轴线。注意到，壳晶胞结构110包括使壳晶胞结构110能够如文中描述地起作用的任何数目的结点202和连接件204。
在示范性实施例中，仅出于方便起见，结点202和连接件204示出为壳晶胞结构110的离散的、分离的部分。具体地，壳晶胞结构110是使用增材制造系统制造的整体式部件，不是分离的结点202和连接件204的组合。如此，结点202和连接件204描述整体式壳晶胞结构110的部分，并且不是壳体晶胞结构110的离散的、分离的部分。此外，部件100内的晶格结构102也是使用增材制造系统制造的整体式部件。也即，晶格结构102内的每个壳晶胞结构110描述晶格结构102的一部分，不是晶格结构102的离散的、分离的部分。晶格结构102内的多个壳晶胞结构110形成为使得一体的或复杂的、连续的表面形成晶格结构102。结点202、连接件204和壳晶胞结构110描述整个整体式晶格结构102的部分，并且不是晶格结构102的离散的、分离的部分。
在示范性实施例中，连接件204大致相似并且具有柱形管状形状，即，它们形成中空柱形形状。替代地，连接件204包括使壳晶胞结构110能够如文中描述地起作用的任何形状。在示范性实施例中，连接件204包括壁厚度212、直径214和连接件长度216。结点202包括结点长度210和构造成将连接件204联接到结点202的多个连接部位206。此外，结点202是中空的，并且包括具有壁厚度212的外壳壁208。在替代实施例中，外壳壁208具有不同于连接件204的壁厚度212的厚度。在示范性实施例中，外壳壁208包括弯曲表面，弯曲表面利用全半径218将每个连接部位206调和到邻近的连接部位206，如图4中最佳地示出的。连接部位206从外壳壁208延伸并且包括与连接件204的截面形状互补或对应的截面形状。在示范性实施例中，结点202包括六个连接部位206。替代地，在其它实施例中，结点202包括使壳晶胞结构110能够如文中描述地起作用的任何数目的连接部位206。在示范性实施例中，连接部位206包括带有直径214的圆形形状，以与连接件204的柱形管状形状互补或对应。替代地，连接部位206包括使壳晶胞结构110能够如文中描述地起作用的任何形状和大小。
在示范性实施例中，结点长度210、厚度212、直径214和连接件长度216构造成形成各向同性的壳晶胞结构110，使得部件100的硬度在所有方向上大致相似。部件100的各向同性硬度允许部件100以与实心部件对非对称载荷做出反应大致相同的方式对非对称载荷做出反应。虽然对于壳晶胞的特定族(诸如，图2中示出的坐标轴型壳晶胞结构110)，结点长度210、厚度212、直径214和连接件长度216之间的尺寸关系大致相似，但是，该关系对于各向同性晶胞的不同族可以不相同。特别地，存在数学表达式，例如包括结点长度210、厚度212、直径214和连接件长度216变量，使得造成的壳晶胞的族(诸如，壳晶胞结构110)是各向同性的。然而，数学表达式对于各向同性壳晶胞的所有族可以不等同。如文中使用的，晶胞族包括带有相同数目的结点和相同数目的连接件的晶胞。
在示范性实施例中，各向同性的坐标轴型晶胞的一个示例是图2中示出的壳晶胞结构110。壳晶胞结构110包括壁厚度212，数值在约0.05毫米(mm)(0.002英寸(in.))和约0.5mm(0.020in.)之间并且包括约0.05毫米(mm)(0.002英寸(in.))和约0.5mm(0.020in.)的范围中，更特别地，在约0.1mm(0.004in.)和约0.15mm(0.006in.)之间并且包括约0.1mm(0.004in.)和约0.15mm(0.006in.)的范围中，优选地，在约0.12mm(0.005in.)和约0.14mm(0.006in.)之间并且包括约0.12mm(0.005in.)和约0.14mm(0.006in.)的范围中。在一个特定实施例中，壁厚度212是约0.13mm(.005)。替代地，壁厚度212包括使壳晶胞结构110能够如文中描述地起作用的任何数值。
更进一步，在示范性实施例中，结点长度210包括数值在约5.0mm(0.197in.)和约1.0mm(0.039in.)之间并且包括约5.0mm(0.197in.)和约1.0mm(0.039in.)的范围中，更特别地，在约4.5mm(0.177in.)和约2.0mm(0.079in.)之间并且包括约4.5mm(0.177in.)和约2.0mm(0.079in.)的范围中，优选地，在约4.0mm(0.157in.)和约3.0mm(0.118in.)之间并且包括约4.0mm(0.157in.)和约3.0mm(0.118in.)的范围中。在一个特定实施例中，结点长度210是约3.5mm(0.138in.)。替代地，结点长度210包括使壳晶胞结构110能够如文中描述地起作用的任何长度。
另外，在示范性实施例中，直径214包括数值在约2.0mm(0.079in.)和约0.1mm(0.004in.)之间并且包括约2.0mm(0.079in.)和约0.1mm(0.004in.)的范围中，更特别地，在约1.5mm(0.059in.)和约0.4mm(0.016in.)之间并且包括约1.5mm(0.059in.)和约0.4mm(0.016in.)的范围中，优选地，在约1.25mm(0.049in.)和约0.7mm(0.028in.)之间并且包括约1.25mm(0.049in.)和约0.7mm(0.028in.)的范围中。在一个特定实施例中，直径214是约0.9mm(0.035in.)。替代地，直径214包括使壳晶胞结构110能够如文中描述地起作用的任何数值。
图5是多个壳晶胞结构500联接在一起以形成晶格结构(诸如晶格结构102(图1中示出))的一部分的示范性实施例的立体视图。在示范性实施例中，示出有四个壳晶胞结构500联接在一起，由虚线“A”和“B”标示各个格子边界。如上所述，晶格结构替换部件(诸如部件100(图1中示出))内的实心材料或结构，有助于减少部件的重量。此外，壳晶胞结构500具有各向同性的硬度，这有助于部件以与实心部件对非对称载荷做出反应大致相似的方式对非对称载荷做出反应。
图6是单个壳晶胞结构500的立体视图。图7是壳晶胞结构500的前视图。图8是绕着图7的截线8-8截取的壳晶胞结构500的截面视图。在示范性实施例中，壳晶胞结构500大体是立方体形状的，并且可以称之为面心型晶胞。示范性壳晶胞结构500包括多个中空角结点502和中空面结点504。特别地，壳晶胞结构500包括在立方体形状格子的每个角处的角结点502。在角处的每个角结点502在邻近的壳晶胞结构500(如图5中示出的)之间共享，使得在晶格结构(诸如，晶格结构102)内，由八个壳晶胞结构500形成完全形成的结点(未示出)。如此，每个角结点502含有完全形成的结点的1/8。此外，壳晶胞结构500包括在立方体形状格子的每个面的中心处的面结点504。在面中心处的每个面结点504在邻近的壳晶胞结构500之间共享，使得在晶格结构(诸如，晶格结构102)内，由两个壳晶胞结构500形成完全形成的结点(未示出)。如此，每个面结点504含有完全形成的结点的1/2。
更进一步，在示范性实施例中，壳晶胞结构500包括多个连接件506。特别地，每个连接件506在角结点502和邻近的面结点504之间延伸。如此，每个相应的角结点502包括远离角结点502延伸的三个连接件506，其中每个相应的连接件506延伸到相应的邻近面结点504。在示范性实施例中，连接件506具有单叶双曲面形状，并且是中空的。也即，连接件506是在结点502和504之间延伸的中空双曲面形状的管，在结点502和504之间生成弯曲的过渡。替代地，连接件506可以具有使壳晶胞结构500能够如文中描述地起作用的任何形状。如图6中示出的，远离角结点502延伸的三个连接件506中的每一个相交，以在相应的角结点502和三个邻近的面结点504之间形成通道。
在示范性实施例中，壳晶胞结构500具有长度508。此外，每个面结点504具有长度510，如此，每个角结点502具有长度512，长度512是1/2长度510。壳晶胞结构500的每个面上的每个面结点504和角结点502的四个角的面曲线514是双曲线，该双曲线部分地由双曲面形状的连接件508限定。虽然角结点502、面结点504和连接件506文中描述为是中空的，但是，注意到，角结点502、面结点504和连接件506中的每一个形成为具有大致相似的壁厚度516的薄壁构件。在示范性实施例中，长度508，510和512、曲线514和厚度516构造为形成各向同性的壳晶胞结构500，使得壳晶胞结构500的硬度在所有方向上大致相似。如上所述，存在数学表达式，例如包括长度508，510和512、曲线514和厚度516变量，使得作为结果的壳晶胞的族(诸如，壳晶胞结构500)是各向同性的。壳晶胞结构500的各向同性硬度有助于从壳晶胞结构500的晶格来制备部件(诸如，部件100)，允许部件以与实心部件对非对称载荷做出反应相同的方式对非对称载荷做出反应。
上面描述的壳晶胞结构提供用于使部件轻量化的有效方法。具体地，壁厚度、结点和连接件长度以及连接件直径构造成使得带有内部晶格结构的部件的硬度是各向同性的。也即，部件的硬度在所有方向上大致相似。部件的各向同性硬度允许部件以与实心部件对非对称载荷做出反应相同的方式对非对称载荷做出反应。
文中描述的方法、系统及设备的示范性技术效果包括下述中的至少一个：(a)利用壳晶胞晶格结构替换部件的实心结构；(b)减少部件的重量；以及(c)产生带有具有各向同性硬度的内部壳晶胞晶格结构的部件。
上面详细描述了各向同性壳晶胞结构的示范性实施例。各向同性壳晶胞结构，以及操作这种单元和装置的方法不限于文中描述的具体实施例，而是，系统的部件和/或方法的步骤可以独立地以及与文中描述的其他部件和/或步骤分离地运用。例如，该方法还可以与其他需求晶格内部结构的部件组合使用，不限于仅利用文中描述的系统及方法来实践。而是，可以连同很多需求晶格内部结构的其它制造或构建应用来实施和运用示范性实施例。
尽管本公开的各种实施例的具体特征可能在一些附图中示出而在其他附图中未示出，但是，这仅仅是为了方便。根据本公开的原理，附图的任何特征可以与任何其他附图的任何特征组合地参考和/或索要。
该书面描述使用示例来描述本公开，包括最佳模式，还使本领域技术人员能够实践本公开，包括制作和使用任何装置或系统，并执行任何并入的方法。本公开的专利权范围由权利要求书来限定，可以包括本领域技术人员容易想到的其他示例。这种其他示例意在包括于权利要求书的范围内，如果该示例具有与权利要求书的文字语言并无不同的结构元件的话，或者，如果该示例包括与权利要求书的文字语言无实质不同的等效结构元件的话。

Claims (20)

1.一种壳晶胞结构，其特征在于，包含：
至少一个结点；以及
多个连接件，所述多个连接件联接到所述至少一个结点，其中，所述至少一个结点和所述多个连接件形成完整的表面，并且所述壳晶胞结构具有各向同性的硬度。
2.如权利要求1所述的壳晶胞结构，其特征在于，其中，所述多个连接件中的每个连接件是中空的。
3.如权利要求1所述的壳晶胞结构，其特征在于，其中，所述至少一个结点是中空的。
4.如权利要求1所述的壳晶胞结构，其特征在于，其中，所述至少一个结点和所述多个连接件是中空的。
5.如权利要求4所述的壳晶胞结构，其特征在于，其中，所述至少一个结点和所述多个连接件具有大致相等的壁厚度。
6.如权利要求4所述的壳晶胞结构，其特征在于，其中，所述结点包含多个连接部位，所述多个连接件联接到所述多个连接部位。
7.如权利要求1所述的壳晶胞结构，其特征在于，其中，所述壳晶胞结构是坐标轴型晶胞结构，所述至少一个结点在所述多个连接件之间居中。
8.如权利要求1所述的壳晶胞结构，其特征在于，其中，所述壳晶胞结构是立方体形状的面心型晶胞。
9.如权利要求8所述的壳晶胞结构，其特征在于，其中，所述至少一个结点包含多个角结点和多个面结点。
10.如权利要求9所述的壳晶胞结构，其特征在于，其中，所述多个角结点中的每个相应的角结点通过所述多个连接件中的至少一个连接件联接到所述多个面结点中的至少一个邻近的面结点。
11.如权利要求1所述的壳晶胞结构，其特征在于，其中，所述多个连接件是双曲面形状的管。
12.一种部件，其特征在于，包含：
晶格结构，所述晶格结构包含多个壳晶胞结构，所述多个壳晶胞结构中的每个壳晶胞结构包含：
至少一个结点；以及
多个连接件，所述多个连接件联接到所述至少一个结点，其中，所述至少一个结点和所述多个连接件形成完整的表面，并且所述壳晶胞结构具有各向同性的硬度。
13.如权利要求12所述的部件，其特征在于，其中，所述至少一个结点和所述多个连接件是中空的。
14.如权利要求13所述的部件，其特征在于，其中，所述至少一个结点和所述多个连接件具有大致相等的壁厚度。
15.如权利要求13所述的部件，其特征在于，其中，所述结点包含多个连接部位，所述多个连接件联接到所述多个连接部位。
16.如权利要求12所述的部件，其特征在于，其中，所述每个壳晶胞结构是坐标轴型晶胞结构，所述至少一个结点在所述多个连接件之间居中。
17.如权利要求12所述的部件，其特征在于，其中，所述每个壳晶胞结构是立方体形状的面心型晶胞。
18.如权利要求17所述的部件，其特征在于，其中，所述至少一个结点包含多个角结点和多个面结点。
19.如权利要求18所述的部件，其特征在于，其中，所述多个角结点中的每个相应的角结点通过所述多个连接件中的至少一个连接件联接到所述多个面结点中的至少一个邻近的面结点。
20.如权利要求12所述的部件，其特征在于，其中，所述多个连接件是双曲面形状的管。
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