CN110589031B - 一种螺旋仿生抗冲击结构及其制备方法 - Google Patents

一种螺旋仿生抗冲击结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及到抗冲击结构和其制造领域，特指一种螺旋仿生抗冲击结构及其制备方法。采用广泛应用于制造具有精细特征和复杂结构的薄壁部件的增材制造技术，以形状记忆合金或形状记忆树脂为原材料，将该螺旋仿生抗冲击结构设计为轴向方向上由孔管段和微小孔隙小管段合并组成。在孔管段横截面层上呈现孔管围绕中央孔道的等距螺旋形图案分布；微小孔隙小管段各横截面层上呈现众多由七个微小孔隙小管组成的六边形单元围绕中央孔道的等距螺旋形图案分布。采用线性扫描，逐层制造，每层等角度旋转的制造策略，从而制备各截面层的晶体生长方向逐层等角度旋转形，具有螺旋仿生抗冲击结构的构件。

Description

一种螺旋仿生抗冲击结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及到抗冲击结构和其制造领域，特指一种螺旋仿生抗冲击结构及其制备方法，适用于军事，航空航天等领域的抗冲击部件。
背景技术
软着陆技术是行星探测的重要技术。实现软着陆的软起落架探测器支腿是重要的部件之一。如果探测器支腿无法成功部署，将带来灾难性后果，并导致国家财产的巨大损失，为了满足软起落架系统的功能要求，使缓冲器工作稳定可靠，根据不同软起落架系统的特点，具有吸收能量特性的四腿悬挂着陆缓冲器是最佳模型，为了有效地抵抗动态冲击行为并在着陆过程中消散巨大的冲击能量，主支柱往往采用填充有压缩/拉伸缓冲铝蜂窝材料的结构。
然而，填充的这些材料具有一些缺点，例如刚度低，抗压性差，碰撞过程中不可控制的变形。结果，它降低了对探测器的保护作用。此时本发明螺旋仿生抗冲击结构成为缓冲组件的新选择，它可以提供更好的强度和韧性，以更好地保护太空探测器内的电子元件。
将结构仿生学引入到新型抗冲击结构设计中，可以提高其耐撞性和能量吸收性能。本发明的主要仿生思想是：硅藻生活在自然环境中，面临着各种生存挑战，如在水中的碰撞与冲击，被捕食者捕食等，从演化的角度来看硅藻的力学保护应同时利用最少的材料消耗实现强度最大化以抵抗冲击能量。另一方面考虑到自然界中的生物，它们可以进行各种运动，并在长期演化过程中获得具有优异机械性能的骨架，可以实现更强的功能和更轻的重量。以甲壳虫外骨骼为例，对甲壳虫外骨骼横截面进行抛光并观察，显然可以发现周期性的螺旋结构特征。
大量研究表明，螺旋结构可以在沿纤维平面的多个方向上提供增加的各向同性，从而增加抗压强度和刚度，以及增加的韧性，与此同时高密度孔隙小管可能在提高轴向方向的韧性方面发挥重要作用。
另一方面选区激光熔化(SLM)技术为代表的增材制造技术目前得以蓬勃发展，以满足日益增长的高强度和韧性需求。SLM技术在制备精确的复杂形状多孔部件方面显示出优于传统技术的巨大优势，例如制造具有分层表面结构的多孔金属生物材料和精细结构的3D多孔过滤元件以及新型仿生结构等。与此同时，不同的扫描策略对于晶粒生长方向具有较大影响，合理的扫描策略有助于形成类似于甲壳虫外骨骼的螺旋结构。此外，本发明主要选用形状记忆合金，形状记忆树脂等作为原材料，其独特的超弹性和记忆效应同样有助于其机械性能的实现。
发明内容
本发明提供了一种螺旋仿生抗冲击结构及其制备方法。本发明针对当前抗冲击材料的缺陷，结合自然中硅藻外壳，甲虫外壳等优异的机械性能，提供一种新型螺旋仿生抗冲击结构及其相应的激光熔化增材制造方法，采用广泛应用于制造具有精细特征和复杂结构的薄壁部件的增材制造技术，以形状记忆合金，形状记忆树脂之一为原材料，将该螺旋仿生抗冲击结构设计为轴向方向上由孔管段和微小孔隙小管段合并组成。在孔管段横截面层上呈现孔管围绕中央孔道的等距螺旋形图案分布；微小孔隙小管段各横截面层上呈现众多由七个微小孔隙小管组成的六边形单元围绕中央孔道的等距螺旋形图案分布。采用线性扫描，逐层制造，每层等角度旋转的制造策略，从而制备各截面层的晶体生长方向逐层等角度旋转形，具有螺旋仿生抗冲击结构的构件。
本发明提供的螺旋仿生抗冲击结构为直径d为5cm～10cm的圆柱体，结构中心轴线方向具有直径d1为5mm～2cm的中央孔道，中央孔道直径d1为圆柱体直径d的1/20～1/5。
所述螺旋仿生抗冲击结构由孔管段和微小孔隙小管段构成，其中微小孔隙小管段占据螺旋仿生抗冲击结构两端面，孔管段处于中间位置，且两端微小孔隙小管段高度H1为圆柱体总高度H的1/4～1/3。
孔管段各横截面上呈现孔管围绕中央孔道的等距螺旋形图案分布，等距螺旋形图案具体形貌为匝间距m为1mm～40mm的多条等角度等间距螺旋线，起点位于中央孔道截面线，终点位于圆柱外表面截面线。该等间距螺旋线为基准线。孔管横截面为圆形并均布于等距螺旋线上，孔管半径r为0.3～5mm，且r＜m/2n，相邻孔管圆心间距L＝3×r。m为匝间距，n为等间距螺旋线数量。
微小孔隙小管横截面为圆形。微小孔隙小管半径r1＝0.26×r，r为孔管半径。六个微小孔隙小管均布围绕一个微小孔隙小管形成一个六边形单元，对应于每一个孔管位置，微小孔隙小管段上均有一个六边形单元；六边形单元内相邻微小孔隙小管距离L1＝0.65×r，位于六边形单元中心位置的微小孔隙小管与孔管段的孔管同心。六边形单元内中心位置的微小孔隙小管圆心与相邻两微小孔隙小管圆心连接形成一条三孔连心直线，要求至少一条三孔连心直线方向与螺旋仿生抗冲击结构横截面径向方向重合。
所述螺旋仿生抗冲击结构中各相邻孔管之间，相邻微小孔隙小管之间不得相交；为保证中央孔道内壁和螺旋仿生抗冲击结构外表面完整性，微小孔隙小管和孔管不得与中央孔道内壁和螺旋仿生抗冲击结构外表面相交。
本发明提供的一种螺旋仿生抗冲击结构的制备方法，包括下述步骤：
(1)根据应用条件和零件尺寸要求，设计相应零件的三维CAD模型，通常但不局限于对孔管段和微小孔隙小管段的螺旋结构设计，并将相应模型数据导入增材制造设备。
(2)启动相应增材制造设备，基于CAD模型进行选择性融化粉末，对单个截面层进行制造。激光通常使用但不限于简单线性光栅扫描策略，在此期间需使用惰性气体保护。
(3)在进行下一层制造时，扫描路径绕螺旋仿生抗冲击结构中心轴旋转，转角θ为6°～24°此后每层均使用本策略直至制造完成。
(4)保持增材制造设备开启，重复步骤(2)～(3)直到制造完成。
本发明提供的一种螺旋仿生抗冲击结构的制备方法，步骤(1)中，单个截面层的螺旋结构设计包括中央孔道直径d1，等间距螺旋线匝距m，孔管半径r，相邻孔管圆心间距L，微小孔隙小管半径r1，六边形单元内相邻微小孔隙小管距离L1，以及由此产生的微小孔隙小管和孔管的分布。
本发明所使用的激光增材制造设备包括但不局限于送粉式或铺粉式激光增材制造设备。
步骤(2)中，利用激光加热材料粉末，激光功率P为50W～2000W，若为铺粉式，激光扫描速度v为200mm/s～5000mm/s，若为送粉式，送粉速度v1为100mm/min～1200mm/min。
本发明提供的一种螺旋仿生抗冲击结构及其制备方法主要使用形状记忆合金，形状记忆树脂等其中之一作为原材料，进一步提高弹性与减震性能，且所使用材料一般为粉末，每层截面层的金属粉末层厚度s优选为10μm～60μm。
本发明的增益效果：
(1)本发明制备的螺旋仿生抗冲击结构可以在多个方向上增加各向同性，增加抗压强度和刚度，内部微小孔隙小管与孔管的分布设计，既减轻了重量，又能提高轴向方向的韧性能量吸收效果，螺旋分布的孔可以在卸载过程中引起更多累积的变形能量释放，大大提高抗冲击性能，有效替代泡沫铝等缓冲材料。
(2)本发明制备的螺旋仿生抗冲击结构属于复杂多孔零件，对尺寸要求严格，难以应用传统加工技术进行制造，运用激光增材制造技术可以缩短工艺流程,提高材料利用率并保证成形件的加工精度和质量。
(3)本发明所述的一种螺旋仿生抗冲击结构及其制备方法提供了经过优化的工艺参数，可以提高零件的成形精度、改善表面质量。
(4)本发明提出的对逐层等角度旋转的策略，可以形成各截面层的晶体晶向逐层等角度旋转形成类似于甲壳虫外骨骼纤维层的结构，进一步提高该结构的抗冲击性能。
附图说明
图1为太空探测器起落架支腿结构示意图；本发明主要涉及替代压缩缓冲蜂窝材料和拉伸缓冲蜂窝材料。
图2为某种硅藻外壳微观形貌图；
图3为螺旋仿生抗冲击结构孔管段截面示意图；
图4为螺旋仿生抗冲击结构微小孔隙小管段截面示意图；
图5为螺旋仿生抗冲击结构孔管段与微小孔隙小管段分段拆分三维模型；
图6为螺旋仿生抗冲击结构激光扫描制造策略；
图7为螺旋结构的广义三维模型；
图8为NiTi合金制备的
Figure BDA0002182815380000041
圆柱形螺旋仿生抗冲击试样与相同尺寸蜂窝铝试样在轴向方向的压缩应力-应变曲线；
图9为NiTi合金制备的
Figure BDA0002182815380000042
圆柱形螺旋仿生抗冲击试样能量吸收率-应变曲线。
附图标记：1—螺旋仿生抗冲击结构、2—中央孔道、3—等间距螺旋线、4—孔管、5—孔管圆心间距L、6—六边形单元内相邻微小孔隙小管间距L1、7—微小孔隙小管、8—微小孔隙小管半径r1、9—六边形单元、10—压缩缓冲蜂窝材料、11—拉伸缓冲蜂窝材料、12—高强度弹簧、13—太空探测器起落架支腿、14—活塞杆；15—微小孔隙小管段、16—孔管段、17—微小孔隙小管段高度H1
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
实施例：
使用NiTi合金制备
Figure BDA0002182815380000051
圆柱形螺旋仿生抗冲击零件。
(1)根据零件尺寸要求对单个截面层的螺旋结构设计包括中央孔道直径d1，两端微小孔隙小管段高度H1，等间距螺旋线匝距m，孔管半径r，相邻孔管圆心间距L，微小孔隙小管半径r1，六边形单元内相邻微小孔隙小管距离L1，以及由此产生的微小孔隙小管和孔管的分布等。经设计的螺旋仿生抗冲击零件为直径d＝10mm的圆柱体，结构中心轴线方向具有直径d1为1mm的中央孔道，螺旋仿生抗冲击结构孔管段各横截面上呈现孔管围绕中央孔道的等距螺旋形图案分布，等距螺旋形图案具体形貌为六条等角度分布的匝间距m为22.5mm的等间距螺旋线，起点位于中央孔道截面线，终点位于圆柱外表面截面线。该等间距螺旋线为基准线。孔管半径r为1.5mm，并均布于各条等距螺旋线上，相邻孔管圆心间距L＝4.5mm。
两端微小孔隙小管段高度H1＝2.5mm，微小孔隙小管横截面为圆形。微小孔隙小管半径r1＝0.39mm，六个微小孔隙小管均布围绕一个微小孔隙小管形成一个六边形单元，对应于每一个孔管位置，微小孔隙小管段上均有一个六边形单元；六边形单元内相邻微小孔隙小管距离相等L1＝0.98mm，位于六边形单元中心位置的微小孔隙小管与孔管段的孔管同心。六边形单元内中心位置的微小孔隙小管圆心与相邻两微小孔隙小管圆心连接形成一条三孔连心直线，要求至少一条三孔连心直线方向与螺旋仿生抗冲击结构横截面径向方向重合。同时对微小孔隙小管和孔管的分布进行调整，使得各相邻孔管之间，相邻微小孔隙小管之间不得相交；为保证中央孔道内壁和螺旋仿生抗冲击结构外表面完整性，微小孔隙小管和孔管不得与中央孔道内壁和螺旋仿生抗冲击结构外表面相交。
(2)利用三位造型软件设计出零件的三维CAD模型。然后将文件保存为STL文件，将保存好的文件数据输送到激光增材制造装备中；
(3)本例使用带有自动粉末撒布装置，惰性气体循环保护系统的激光增材制造设备。清理好制造平台，将NiTi合金粉末填充到储存筒中。然后，启动真空泵和惰性气体循环保护系统，以排出剩余的空气。在O2含量低于20ppm后，粉末撒布装置对粉末进行撒布并刮平，激光束基于CAD模型选择性地熔化粉末。在此过程中使用以下激光加工设定参数：激光功率P为250W，扫描速度v＝1200mm/s，金属粉末层厚度s为50μm，扫描间距50μm。激光以简单的线性光栅扫描模式在表面上移动。
(4)激光以简单的线性光栅扫描模式在表面上移动，在进行下一层截面层制造时绕螺旋仿生抗冲击结构中心轴旋转，转角θ为6°。此后每层均使用本策略。图6为各层激光扫描轨迹。
与此同时制备相对密度为23％的外形尺寸同样为
Figure BDA0002182815380000062
圆柱形蜂窝铝试样。并对两试样进行压缩实验。压缩实验在MTS810.23型万能材料试验机上进行上进行。所有压缩实验的位移速率设定为1mm/min。与此同时，对试样应变量进行监测，图8给出了NiTi合金制备
Figure BDA0002182815380000063
圆柱形螺旋仿生抗冲击试样与相同尺寸蜂窝铝试样在轴向方向的压缩应力-应变曲线。从曲线中清楚地确定三个不同的典型阶段，包括线弹性变形区，接着发生屈服并进入一个应力几乎不变的平台区域，以及最后进入一个应力突然上升的密实化区。最终测得圆柱形螺旋仿生抗冲击试样屈服强度σC和应变εC在此阶段分别达到81MPa和0.16832，两者都远远高于传统的铝蜂窝结构，该结构显示出更高的韧性。
与此同时定义能量吸收效率E，具体如下：
Figure BDA0002182815380000061
当圆柱形螺旋仿生抗冲击试样处于致密化起始应变εD＝0.45013时，其能量吸收效率E最大，可达0.28。

Claims (10)

1.一种螺旋仿生抗冲击结构，其特征在于，螺旋仿生抗冲击结构为直径d的圆柱体，结构中心轴线方向具有直径d1的中央孔道；所述螺旋仿生抗冲击结构由孔管段和微小孔隙小管段构成，其中微小孔隙小管段占据螺旋仿生抗冲击结构两端面，孔管段处于中间位置；孔管段各横截面上呈现孔管围绕中央孔道的等距螺旋形图案分布，等距螺旋形图案具体形貌为多条等角度等间距螺旋线，起点位于中央孔道截面线，终点位于圆柱外表面截面线，该等间距螺旋线为基准线，孔管横截面为圆形并均布于等间距螺旋线上；微小孔隙小管横截面为圆形，六个微小孔隙小管均布围绕一个微小孔隙小管形成一个六边形单元，对应于每一个孔管位置，微小孔隙小管段上均有一个六边形单元；位于六边形单元中心位置的微小孔隙小管与孔管段的孔管同心，六边形单元内中心位置的微小孔隙小管圆心与相邻两微小孔隙小管圆心连接形成一条三孔连心直线，要求至少一条三孔连心直线方向与螺旋仿生抗冲击结构横截面径向方向重合。
2.如权利要求1所述的一种螺旋仿生抗冲击结构，其特征在于，圆柱体直径d为5cm～10cm，中央孔道直径d1为5mm～2cm；中央孔道直径d1为圆柱体直径d的1/20～1/5。
3.如权利要求1所述的一种螺旋仿生抗冲击结构，其特征在于，两端微小孔隙小管段高度H1为圆柱体总高度H的1/4～1/3。
4.如权利要求1所述的一种螺旋仿生抗冲击结构，其特征在于，多条等角度等间距螺旋线的匝间距m为1mm～40mm；孔管半径r为0.3～5mm，且r＜m/2n，相邻孔管圆心间距L＝3×r，m为匝间距，n为等间距螺旋线数量。
5.如权利要求1所述的一种螺旋仿生抗冲击结构，其特征在于，微小孔隙小管半径r1＝0.26×r，r为孔管半径；六边形单元内相邻微小孔隙小管距离L1＝0.65×r。
6.如权利要求1所述的一种螺旋仿生抗冲击结构，其特征在于，所述螺旋仿生抗冲击结构中各相邻孔管之间，相邻微小孔隙小管之间不得相交；为保证中央孔道内壁和螺旋仿生抗冲击结构外表面完整性，微小孔隙小管和孔管不得与中央孔道内壁和螺旋仿生抗冲击结构外表面相交。
7.如权利要求1所述的一种螺旋仿生抗冲击结构的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)根据应用条件和零件尺寸要求，设计相应零件的三维CAD模型，对孔管段和微小孔隙小管段的螺旋结构设计，并将相应模型数据导入增材制造设备；
(2)启动相应增材制造设备，基于CAD模型进行选择性融化粉末，对单个截面层进行制造；激光使用简单线性光栅扫描策略，在此期间需使用惰性气体保护；
(3)在进行下一层制造时，扫描路径绕螺旋仿生抗冲击结构中心轴旋转，转角θ为6°～24°；
(4)保持增材制造设备开启，重复步骤(2)和(3)直至制造完成。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，单个截面层的螺旋结构设计包括中央孔道直径d1，等间距螺旋线匝距m，孔管半径r，相邻孔管圆心间距L，微小孔隙小管半径r1，六边形单元内相邻微小孔隙小管距离L1，以及由此产生的微小孔隙小管和孔管的分布。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，使用的激光增材制造设备包括但不局限于送粉式或铺粉式激光增材制造设备；利用激光加热材料粉末，激光功率P为50W～2000W，若为铺粉式，激光扫描速度v为200mm/s～5000mm/s，若为送粉式，送粉速度v1为100mm/min～1200mm/min。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，使用的粉末材料为形状记忆合金或形状记忆树脂，进一步提高弹性与减震性能，每层截面层的金属粉末层厚度s为10μm～60μm。
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