CN111002932B - 增材制造的能量吸收结构 - Google Patents

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Abstract

本文提供了用于增材制造具有增加的能量吸收特性的结构的设备和方法。三维(3D)增材制造结构可以构造有空间相关的特征以形成碰撞部件。当用在运输交通工具的构造中时，具有空间相关的增材制造的特征的碰撞部件可以加强并增加碰撞能量吸收。这继而吸收并重新分布更多碰撞能量远离交通工具的乘员(们)，从而提高了乘员的安全性。

Description

增材制造的能量吸收结构
技术领域
本公开总体涉及用于制造具有增加的能量吸收特性的结构的技术，并且更具体地涉及增材制造运输交通工具的撞击部件。
背景技术
三维(3D)打印(还被称为增材制造)呈现出高效构建用于汽车和其它运输结构(比如，飞机、船舶、摩托车等)的部件的新机遇。将增材制造过程施用于生产这些产品的行业已经证明将生产在结构上更高效的运输结构。使用3D打印的部件生产的汽车可以被制成更牢固、更轻、并且因此更具有燃料效率。
安全性也是运输结构中的考虑因素。根据国际公路安全旅行协会(ASIRT)的报道，全世界每年有超过一百万人死于道路碰撞。很多因素导致了致命的碰撞，包括例如驾驶员行为和交通工具设计的各个方面。碰撞期间，乘员由于冲击碰撞能量而经历加速的方式还可以决定生存的可能性。需要通过解决这种碰撞能量被吸收与被分布的方式来提高交通工具安全性。
发明内容
将在下文参考三维(3D)打印技术更加全面地描述用于增材制造具有增加的能量吸收特性的结构的技术的几个方面。
在一方面，运输交通工具包括第一结构区域、第二结构区域、以及增材制造的碰撞部件。增材制造的碰撞部件定位在第一结构区域与第二结构区域之间。增材制造的碰撞部件包括至少一个壳体层和空间相关的轮廓，所述增材制造的碰撞部件被构造成吸收并重新分布来自第一结构区域和第二结构区域中的至少一个的碰撞能量。
增材制造的碰撞部件可以包括热处理区域，其被构造成吸收来自第一结构区域和第二结构区域中的至少一个的碰撞能量。
载荷承受部件可以使载荷能够通过限定的载荷路径传递或转移至其它部件。另一方面，增材制造的碰撞部件可以被构造成通过吸收一定量的碰撞能量(例如，当制造的碰撞部件经历受控变形时)来吸收来自第一结构区域和第二结构区域中的至少一个的碰撞能量。吸收的一定量的碰撞能量可以基于空间相关的轮廓。
空间相关的轮廓可以包括壳体参数。壳体参数可以是壳体厚度。壳体厚度可以被构造成根据位置而改变。壳体参数可以是壳体密度；壳体密度可以被设置为根据位置而改变。此外，一方面，空间相关的轮廓还可以是横截面的几何构型、形状或尺寸的函数。
空间相关的轮廓可以包括壳体材料。
增材制造的碰撞部件可以被构造成基于预期的安全气囊的展开轮廓来吸收一定量的碰撞能量。增材制造的碰撞部件可以被构造成基于预期的减速曲线来吸收一定量的碰撞能量。
内部空腔可以包括泡沫。泡沫可以包括金属。
增材制造的碰撞部件可以是框架挤压导轨。
另一方面，增材制造运输交通工具中的碰撞部件的方法包括：形成被壳体区域包围的中空区域；并且根据位置来控制壳体区域的轮廓。
控制壳体区域轮廓可以包括改变壳体厚度。控制壳体区域轮廓可以包括改变材料密度。控制壳体区域轮廓可以包括改变壳体区域的材料。此外，一方面，空间相关的轮廓还可以是横截面的几何构型、形状或尺寸的函数。
增材制造运输交通工具中的碰撞部件的方法可以进一步包括将泡沫注射到中空区域中。
另一方面，运输交通工具包括增材制造的碰撞部件。增材制造的碰撞部件包括内部中空区域和壳体。壳体具有可变的横截面轮廓。
增材制造的碰撞部件可以进一步包括至少一个增材制造的加强元件。
可变的横截面轮廓可以被构造成加强变形模式以及能量吸收能力。可变的横截面轮廓可以包括计量的厚度。计量的厚度可以是碰撞部件的长度的函数。
可变的横截面轮廓可以包括至少一个挤压启动特征。挤压启动特征可以被构造成在冲击事件期间启动增材制造的碰撞部件的结构坍塌。
至少一个挤压启动特征可以被构造成在冲击事件期间经由几何构型的改变来启动增材制造的碰撞部件的结构坍塌。至少一个挤压启动特征可以被构造成在冲击事件期间通过材料的改变来启动增材制造的碰撞部件的结构坍塌。至少一个挤压启动特征可以是基于三维(3D)打印机的打印参数的增材制造的特征。
增材制造的碰撞部件可以被构造成在冲击事件期间相当多地吸收一定量的冲击能量。增材制造的碰撞部件可以被构造成在冲击事件期间相当多地吸收并重新分布一定量的冲击能量远离运输交通工具的乘员。
另一方面，计量运输交通工具中的支撑结构的方法包括：形成被壳体区域包围的中空区域；并且根据位置来控制横截面轮廓。
根据位置来控制横截面轮廓可以包括根据位置来控制横截面轮廓。横截面轮廓可以根据位置来控制，以便加强变形模式以及能量吸收能力。
根据位置来控制横截面轮廓可以包括根据位置来改变横截面轮廓的厚度。根据位置来改变横截面轮廓的厚度可以包括在横截面轮廓内的所选位置处放置至少一个挤压启动器。
另一方面，运输交通工具包括增材制造的碰撞结构。增材制造的碰撞结构包括目标冲击位置和位于目标冲击位置处的增材制造的开孔结构。
增材制造的碰撞结构可以定位在运输交通工具的前部处。目标冲击位置可以在增材制造的碰撞结构的前部。
增材制造的碰撞结构可以定位在运输交通工具的后部处。目标冲击位置可以在增材制造的碰撞结构的后部。
增材制造的开孔结构可以包括格栅。格栅可以包括可变的格栅密度，所述可变的格栅密度是距目标冲击位置的距离的函数；并且至少在目标冲击位置处可以具有可变的格栅密度。
增材制造的格栅结构可以是缓冲器。
在另一方面，增材制造碰撞结构的方法包括在碰撞结构上限定目标冲击位置；并且在目标冲击位置处形成开孔结构。
在目标冲击位置处形成开孔结构可以包括增材制造至少一个加强结构。在目标冲击位置处形成开孔结构可以包括与至少一个加强结构同时地增材制造格栅。
增材制造格栅可以包括改变格栅的密度，使得至少在目标冲击位置处具有该密度。在格栅的增材制造之后，可以将泡沫注射到格栅中。
理解的是，对于本领域技术人员来说，增材制造具有增加的能量吸收特性的结构的其它方面将从以下详细叙述中变得显而易见，其中通过说明的方式仅示出和描述了几个实施例。如本领域技术人员将理解的是，增材制造具有增加的能量吸收特性的结构可以通过不脱离本发明的其它实施例来实现。因此，附图和详细描述本质上被认为是说明性的而不是限制性的。
附图说明
现在将通过附图中的示例而非通过限制，在详细描述中来呈现用于增材制造具有增加的能量吸收特性的结构的技术的各个方面，其中：
图1A-1D示出了在不同的运行阶段期间的示例3-D打印机系统。
图2A示出了根据实施例的插入泡沫块之前的增材制造的碰撞部件的侧视透视图。
图2B示出了根据图1A的实施例的插入泡沫块之后的增材制造的碰撞部件的前视透视图。
图3A示出了根据实施例的在结构上计量的碰撞部件的侧视透视图。
图3B示出了根据图2A的实施例的在结构上计量的碰撞部件的二维表示。
图3C示出了根据图2A的实施例的在结构上计量的碰撞部件的第一横截面。
图3D示出了根据图2A的实施例的在结构上计量的碰撞部件的第二横截面。
图3E示出了与根据图2A的实施例的在结构上计量的碰撞部件相关的加速度与时间的绘图的曲线图。
图4A示出了根据另一个实施例的在结构上计量的碰撞部件的二维表示。
图4B示出了根据图3A的在结构上计量的碰撞部件的第一横截面。
图4C示出了根据图3A的实施例的在结构上计量的碰撞部件的第二横截面。
图5示出了根据实施例的增材制造的缓冲器。
图6A示出了根据本文教导的用于增材制造封闭壳体碰撞结构的概念流程图。
图6B示出了根据本文教导的用于增材制造开孔碰撞结构的概念流程图。
图7A-7C示出了矩形管的示例横截面，其可以包括用作折皱启动器的区块。
图8A-8B是提供了心轴和可以使用该心轴制成的结构格栅的示例的示意图。
具体实施方式
以下结合附图阐述的详细描述旨在提供对增材制造具有增加的能量吸收的结构的示例性实施例的描述，并且其不旨在表示本发明仅可以实践在所述实施例中。贯穿本公开使用的术语“示例性”意味着“用作示例、实例或说明”，并且不应必须地被解释为比本公开中呈现的其它实施例优选或有利。出于提供彻底和完整公开的目的,详细描述包括具体细节，其向本领域技术人员充分传达了本发明的范围。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在一些实例中，众所周知的结构和组件可以以框图形式示出，或者完全省略，以避免模糊贯穿本公开所给出的各种概念。
3D打印的使用为机械结构与机械组件的制造商能够制造复杂零件提供了显著的灵活性。增材制造可以使制造具有增加的能量吸收特性的结构的技术成为可能，并且更具体地使能够增材制造运输交通工具的撞击部件成为可能。例如，3D打印技术为制造商提供了设计和构建具有能量吸收特性的零件的灵活性，其可以用于运输交通工具的撞击部件。
图1A-D示出了示例性3D打印机系统的侧视透视图。在该实例中，3D打印机系统是粉末床熔融(PBF)系统100。图1A-D示出了在不同的运行阶段期间的PBF系统100。图1A-D中示出的具体实施例是采用本公开的原理的PBF系统的多个适用示例中的一种。还应该注意的是，图1A-D以及本公开的其它附图中的元件不必按比例绘制，出于更好地示出本文描述的概念的目的而可以被绘制得更大或更小。PBF系统100可以包括：沉积器101，其可以沉积每层金属粉末；能量束源103，其可以生成能量束；偏转器105，其可以施用能量束以使粉末材料融合；以及构建板107，其可以支撑一个或更多个构建件，比如构建件109。PBF系统100还可以包括构建底板111，其定位在粉末床容器中。粉末床容器112的壁通常限定了粉末床容器的边界，所述粉末床容器从侧面被夹置在壁112之间并且在下方邻接构建底板111的一部分。构建底板111可以逐步降低构建板107，使得沉积器101可以沉积下一层。整个机构可以位于室113内，该室可以封闭其它部件，从而保护装置，能够实现进行大气和温度调节并且减轻污染风险。沉积器101可以包括：送料器115，其容纳粉末117，比如金属粉末；以及整平器119，其可以整平每层沉积粉末的顶部。
具体参考图1A，该附图示出了在构建件109的切片被熔融之后但在下一层粉末沉积之前的PBF系统100。事实上，图1A示出了PBF系统100已经沉积并熔合了以多个层(例如，150层)形式的切片以形成构建件109的目前状态(例如，由150个切片形成)的时刻。已经沉积的多个层形成了粉末床121，其包括沉积但未熔融的粉末。
图1B示出了PBF系统100，其处于构建底板111可以降低粉末层厚度123的阶段。构建底板111的降低导致构建件109和粉末床121下降了粉末层厚度123，使得构建件和粉末床的顶部低于粉末床容器壁112的顶部一定量，该量等于粉末层厚度。例如，以这种方式，可以在构建件109和粉末床121的顶部上方形成具有等于粉末层厚度123的一致厚度的空间。
图1C示出了PBF系统100，其处于沉积器101被定位成在一定空间中沉积粉末117的阶段，所述空间形成在构建件109和粉末床121的顶部表面上方并被粉末床容器壁112界定。在该示例中，沉积器101在限定空间上方逐步地移动，同时释放来自送料器115的粉末117。整平器119可以整平释放的粉末以形成粉末层125，其具有基本等于粉末层厚度123(参见图1B)的厚度。因此，PBF系统中的粉末可以被粉末材料支撑结构所支撑，该粉末材料支撑结构可以包括，例如构建板107、构建底板111、构建件109、壁112等。应该注意的是，示出的粉末层125的厚度(即，粉末层厚度123(图1B))大于实际厚度，该实际厚度用于例如涉及上文参考图1A所讨论的150个先前沉积的层。
图1D示出了PBF系统100，其处于在粉末层125(图1C)的沉积之后，能量束源103生成能量束127并且偏转器105施用该能量束以在构建件109中熔融下一切片的阶段。在各个示例性实施例中，能量束源103可以是电子束源，在这种情况下，能量束127构成电子束。偏转器105可以包括偏转板，所述偏转板可以生成使电子束选择性地偏转的电场或磁场，以致使电子束在设计成待被熔合的区块上扫描。在各个实施例中，能量束源103可以是激光器，在这种情况下，能量束127是激光束。偏转器105可以包括光学系统，其使用反射和/或折射以操纵激光束来扫描所选择的待熔合区块。
在各个实施例中，偏转器105可以包括一个或更多个万向节和致动器，其可以使能量束源旋转和/或平移从而定位能量束。在各个实施例中，能量束源103和/或偏转器105可以调制能量束，例如，在偏转器扫描时开启和关闭能量束，使得仅在粉末层的合适区块中施用能量束。例如，在各个实施例中，能量束可以通过数字信号处理器(DSP)来调制。
在增材制造具有增加的能量吸收特性的结构的背景下，增材制造的使用提供了显著的灵活性和节省成本的益处，所述益处使机械结构和机械组件的制造商能够以更低的成本为消费者制造具有复杂几何构型的零件。在前文中描述的制造技术涉及结构性设计部件以提高它们的吸收碰撞能量并经历受控变形的能力，从而减少交通工具的乘员所承受的碰撞脉冲，并防止侵入到乘员舱中。在一些情况下，制造部件的方法可以包括增材制造的零件和商业成品(COTS)部件。
在交通工具碰撞期间，撞击(冲击)脉冲通过交通工具部件传播。当冲击能量没有被碰撞结构恰当地吸收时，碰撞脉冲对交通工具的乘员形成威胁。碰撞脉冲向交通工具乘员(即，乘客(们)和/或驾驶员)的传播取决于交通工具的结构、部件和底盘的设计。因此，需要设计一种交通工具的部件以吸收和/或减少碰撞脉冲向乘员的传播。除其它领域外，这种需求还延续到使用增材制造的部件和结构的交通工具的设计中。
本文提出了用于增材制造具有增加的能量吸收特性的结构的设备和方法。三维(3D)增材制造结构可以构造有空间相关的特征以形成碰撞部件。当在运输交通工具的构造中使用时，具有空间相关的增材制造的特征的碰撞部件可以加强并增加碰撞能量吸收。这继而减小碰撞脉冲的峰值，从而提高乘员的安全性。
图2A示出了根据实施例的插入泡沫块202之前的增材制造的碰撞部件204的侧视透视图200a。图2B示出了在插入泡沫块202之后的增材制造的碰撞部件204的前视透视图200b。如图2A所示，碰撞部件204可以是中空的，其具有壳体状外部，并且所述碰撞部件具有内部格栅206以提供结构支撑。
在制造期间，为了将泡沫块202插入到碰撞部件204的中空区域中，碰撞部件204可以被加热。以这种方式，泡沫块202可以在与碰撞部件204接触时软化并在内部格栅206周围流动。一旦温度降低，泡沫块202可以重新固化以填充碰撞部件204的内部中空区域，如图2B所示。泡沫块202可以包括用于加强支撑强度同时加强碰撞部件吸收碰撞能量的能力的材料。例如，泡沫块202可以包括金属材料和/或发泡聚丙烯。
碰撞部件204可以为汽车框架和/或结构的一部分，并且可以在碰撞(冲击)事件期间提供能量吸收区域。例如，碰撞部件204可以是汽车框架挤压导轨或汽车底盘的一部分；并且碰撞部件204可以是一种增材制造的结构，其定位在第一底盘区域和第二底盘区域之间以吸收碰撞能量。通过吸收碰撞能量，碰撞部件(结构)204可以通过吸收碰撞力来有利地减少第一底盘区域与第二底盘区域之间的碰撞力的传播。
虽然图2A和2B示出了在加热碰撞部件204之后插入泡沫块202的实施例，但是不需要加热的其它实施例也是可能的。例如，泡沫可以在不加热的情况下被注射到碰撞部件204的中空区域中的一些或全部中。以这种方式，中空区域中的一些或全部可以被泡沫占据，以便定制碰撞部件204在冲击事件期间吸收碰撞能量的方式。
除了具有格栅206之外，碰撞部件204可以具有额外的几何构型特征，其可以在3D打印过程期间被制成。例如，在3D打印过程期间，空间相关的轮廓可以增材制造到碰撞部件204中。以这种方式，可以通过3D打印参数、材料以及几何构型改变来有利地定制碰撞部件204，从而加强了用于吸收碰撞能量的结构特性。
图3A示出了根据实施例的在结构上计量的碰撞部件300的侧视透视图，而图3B示出了其二维表示。结构计量就是当零件的厚度在零件的横截面上改变时用于获取所需的结构性能。如图3A和3B所示，碰撞部件300具有顶部壳体层302和底部壳体层304。除了在3D打印过程期间可以改变额外的几何构型和材料特征以便定制并加强碰撞能量吸收特性之外，碰撞部件300可以是类似于图2A和2B的增材制造的碰撞部件。
通过形成凹口306a-c，顶部壳体层302的壳体厚度可以根据距离而进行改变。在示出的实施例中，底部壳体层304的壳体厚度是恒定的，虽然不需要如此。顶部壳体层302的凹口可以被形成为使得在碰撞(冲击)事件期间，碰撞部件300可以在凹口306a-c中的一个或更多个处被最先挤压或变形。以这种方式，碰撞部件300的空间轮廓被定制成结合挤压启动特征，其也被称为挤压启动器。例如，挤压启动特征或挤压启动器可以是切口或凹痕。在碰撞期间，挤压启动特征可以提供受控的能量吸收碰撞位置，在该受控的能量吸收碰撞位置处，碰撞能量或碰撞能量的相当大的量被吸收到碰撞部件300中。经由挤压启动特征控制碰撞能量可以通过吸收并使能量远离汽车或运输结构的乘客和/或乘员重新分布而拯救生命。一方面，挤压启动器(例如，凹口)可以沿着部件的外表面。
图3C示出了由图3B的线da描绘的在结构上计量的碰撞部件500的第一横截面，并且图3D示出了由通过图3B中的凹口306b绘制的线db所描绘的第二横截面。如图3C和3D的横截面所示，顶部壳体层302和底部壳体层304可以是连续壳体区域的一部分。在由线da描绘的壳体区域中，顶部壳体层302具有厚度ta并且底部壳体层304具有厚度ta(还参见图3B)。在由线db描绘的壳体区域中，顶部壳体层502在凹口306b内具有厚度tb并且底部壳体层304具有厚度ta。通过增材制造凹口306b以具有小于厚度ta的厚度tb，凹口306b可以加强制造的碰撞部件300的能量吸收特性。例如，如图3E所示，能量吸收特性可以定制成减小由运输交通工具的乘员(们)所经历的净加速度。
虽然图3A-3D将碰撞部件300示出为在顶部壳体层302中使用在结构上计量的凹口306a-c来实现挤压启动特征，但是其它实施例也是可能的。除了凹口306a-c，在增材制造过程期间，可以改变其它参数或壳体参数以形成空间相关的碰撞结构轮廓。在一些实施例中，可以使用更少或更多的凹口。在其它实施例中，在增材制造过程期间，可以改变包括壳体密度和/或壳体材料的材料特性。例如，碰撞部件300可以在一个区域中使用材料的一种合金，而在临近区域中使用另一种合金。在替代实施例中，凹口306a-c中的一个或更多个还可以具有与示出的弯曲形状不同的形状。例如，台阶形状、凹口形状、三角形形状、矩形形状或者多种其它几何构造都可以是可行的，如下文具体示例中所述的。
此外，凹口可以以维持碰撞部件300的结构整体性的方式来形成。例如，在正常运行期间，碰撞部件300可以在汽车或运输交通工具的构架内提供结构稳定性，以便加强载荷承受强度。此外，碰撞结构可以被定制成减小质量。以这种方式，增材制造的碰撞部件300可以有利地加强载荷承受强度与质量的比值和/或品质系数。
图3E示出了与在结构上计量的碰撞部件300相关的加速度与时间的绘线322和324的曲线图示320。绘线322可以表示在没有所安装的碰撞部件的情况下在碰撞期间交通工具中的乘员所经历的加速度曲线，并且绘线324可以表示在碰撞组件300被安装在交通工具的结构或框架的部分中时乘员所经历的加速度曲线。如图3E所示，碰撞部件300以减小在标为时间1和时间2的时间处的净加速度峰值的方式来加强能量吸收。在峰值加速度的这种减小表明乘员所经历的碰撞脉冲被减小，从而提高了乘员的生存机会。
虽然图3A-3D的碰撞部件300被定制成减小碰撞期间经历的一种减速曲线的峰值，但是也可以使用其它曲线。例如，碰撞部件300可以被定制成基于预期的安全气囊的展开曲线来吸收能量。替代地或附加地，制造的碰撞结构可以被构造成基于替代的具有更大或更小峰值的减速曲线来吸收碰撞能量的量。
图4A示出了根据另一实施例的在结构上计量的碰撞部件400的二维表示。除了空间相关的轮廓被增材制造成具有不同几何构型之外，碰撞部件400类似于碰撞部件300。例如，与碰撞部件300不同，碰撞部件400不具有凹口306a-c。代替地，碰撞部件400被增材制造有顶部壳体层402和底部壳体层404，二者都具有可变的空间相关轮廓。壳体厚度可以被增材制造为使得顶部壳体层402和底部壳体层404形成具有加强的载荷承受强度与质量比值和/或品质系数的结构。具有可变的厚度可以有利地将碰撞部件400定制成吸收相当多的量的碰撞能量；额外地，碰撞能量可以以遵循期望减速曲线的方式来被吸收。
图4B示出了由图4A的线d1描绘的在结构上计量的碰撞部件400的第一横截面，并且图4B示出了由图4A的线d2描绘的第二横截面。如图所示，由线d1描绘的横截面轮廓可以具有壳体轮廓，该壳体轮廓具有壳体厚度t1；并且由线d2描绘的横截面轮廓可以具有壳体轮廓，该壳体轮廓具有大于t1的壳体厚度t2。一方面，可变的厚度可以通过增材制造结构来实现。因为使用了增材制造，所以不需要执行次级操作并且不需要用工具加工以用于在结构中实现可变的厚度。
虽然图4A-4C示出了具有由壳体厚度变化表示的空间相关的轮廓的碰撞部件400，但是其它构造也是可以的。例如，在其它构造中，壳体材料密度可以被改变；替代地，壳体材料或合金可以按照位置而改变。这些替代构造被认为落入本公开的范围内。
此外，除了封闭壳体结构之外的替代结构可以被用于制作碰撞部件。例如，骨架特征和肋状(加强)特征可以被增材制造在运输结构中。这些加强特征还可以被增材制造成具有空间相关的轮廓，以用于增强碰撞能量吸收。此外，碰撞部件特征和元件可以同时被共同打印。例如，加强特征可以与格栅特征一起同时被打印在碰撞部件中。
图5示出了根据实施例的增材制造的缓冲器500的横截面图。增材制造的缓冲器具有带有中空部段508a-c的支撑区域506。邻近支撑区域506的是增材制造的格栅504，其具有第一格栅密度；并且在缓冲器前方的是具有第二格栅密度的一系列增材制造的格栅元件502a-j，所述第二格栅密度小于第一格栅密度。增材制造的缓冲器可以被放置在运输交通工具的前方或后方，使得在碰撞期间，格栅元件502a-j可以通过被定位成最靠近冲击的点而首先吸收能量。在与行人冲击的事件中，这种架构将防止对行人的显著伤害。在冲击位置处具有一系列具有较低密度的格栅元件502a-j可以有利地吸收能量并减少传递至交通工具的乘员或被冲击的行人的碰撞脉冲。较高密度的格栅504可以在碰撞能量到达支撑区域506之前进一步吸收碰撞能量。具有中空部段508a-c可以进一步减小缓冲器结构的质量，同时维持高载荷承受强度与质量的比和/或品质系数。
虽然增材制造的缓冲器500示出了使用具有第一格栅密度的增材制造的格栅504和定位在限定的冲击位置处的具有第二密度的一系列格栅元件502a-j的实施例，但是其它构造也是可以的。例如，具有可变密度的额外格栅区域可以被包括在所述系列的格栅元件502a-j和支撑区域506之间。同样，更多或更少的中空部段508a-c可以被包括在支撑区域506中。除了具有格栅元件502a-j之外，骨架特征也可以通过加强部段来实施，其可以与格栅元件502a-j一起同时被打印。在其它实施例中，泡沫可以被注射到格栅区域中以加强能量吸收特性。上文实例中公开的这些特征可以被单独实施，或者部分地或全部地结合，从而使交通工具或其它运输结构中的乘员的安全性轮廓最大化。
通常，可以使用能量吸收结构，使得零件的灾难性失效可以被控制或避免。例如，可以使用能量吸收结构，使得在碰撞载荷的情况下，零件的灾难性失效可以被控制。一方面，可以增材制造较高能量吸收的结构。例如，较高能量吸收的结构可以是增材制造的，其可以通过以下来实现：(1)在特定部位处增材沉积较低强度、较高延展性的材料以用作折皱启动器，(2)使用心轴(塑料、金属)以形成薄壁碰撞导轨的形状的结构格栅，(3)使用战略性地放置在格栅中的特定的高延展性、低屈曲的材料，或者(4)使用特定几何构型图案的多种混合材料以导致碰撞能量被引导至可以发生转化的区块。
图6A示出了根据本文教导的用于增材制造封闭壳体碰撞结构(部件)的概念流程图600。在步骤602中，增材制造的碰撞部件(结构)被限定成具有壳体的封闭结构。碰撞部件可以对应于碰撞部件300和/或碰撞部件400，并且可以被限定成基于乘员减速曲线来吸收碰撞能量。碰撞部件可以额外地限定成具有挤压启动特征。在步骤604中，使用增材制造来改变壳体横截面轮廓。包括厚度、材料类型和密度的壳体参数可以按照位置来改变。
图6B示出了根据本文教导的用于增材制造开孔碰撞结构(部件)的概念流程图630。开孔碰撞部件可以包括缓冲器和通过开放区域和加强结构形成的结构。在步骤632中，可以通过使用计算方法来限定具有开孔结构的碰撞结构的目标冲击位置。在步骤634中，可以根据减速曲线通过空间相关的轮廓来增材制造至少一个加强结构；并且格栅可以与加强结构一起被同时共同打印。
图7A-7C示出了矩形管700的示例横截面，其可以包括用作折皱启动器714的区块。矩形管700可以包括启动管702的侧部。诸如第一材料704、第二材料708和第三材料710的材料可以被增材沉积，例如使用冷喷嘴706。如上文公开的，一方面，在特定部位处增材沉积的较低强度、较高延展性的材料可以被用作为折皱启动器714。可选地，矩形管700可以涂覆有由第一材料712制成的外部层712。可以使用的较低强度、较高延展性的材料的示例可以包括，但不限于，镁、铜、铝、钛、铁、塑料、陶瓷或它们的组合。然而，较低强度、较高延展性的材料可以是与在其上进行增材沉积的材料相比具有更低强度或更高延展性中的至少一种的任何材料。一方面，增材沉积可以是冷喷增材制造、使用3D打印机系统的打印机、其它增材制造或这些的一些组合。(图7A-7C的示例使用了冷喷)。冷喷是一种制造方法，其中被沉积的材料被保持在其熔点之下，被构造成以足以引起固体状态焊接的速度来冲击基材。较低强度、较高延展性的材料可以被引导的位置或部位可以是任何这样的区块，在所述区块中，强度上的少量增加可以提供折皱启动器718或折皱位置。
如上文所述，一方面可以在标准挤出件或其它零件上增材沉积材料，以选择性地将一些区块强化成超过其它区块。例如，启动管702可以是标准挤出件或其它零件。选择性地将一些区块强化成超过其它区块可以更好地控制折皱。例如，材料708可以重复多次以增加结构的折皱区块。增加的折皱可以增加能量吸收。例如，一方面可以冷喷材料708、3D打印材料708、或者以其它方式将材料708增材制造到标准挤出件或其它零件上，从而选择性地将一些区块强化成超过其它区块。一方面，冷喷(或以其它方式增材制造)材料到标准挤出件或其它零件上可以更好地控制折皱。例如，可以增加折皱。增加的折皱可以增加具有增加的折皱的零件的能量吸收。
如上所述，一方面可以使用管702，其可以是中空方形复合材料管(例如，碳纤维复合材料)并且将坚固的有延展性的铝合金冷喷在外部上，从而形成混合CFRP-铝碰撞导轨。一方面，例如，在外部上添加坚固的有延展性的铝合金以形成混合CFRP-铝碰撞导轨之前，中空方形复合材料管可以是脆弱的。
如上所述，一方面可以使用增材沉积。增材沉积可以是增材沉积具有较高延展性和较低强度的金属。例如，较高延展性和较低强度的材料可以是，但不限于，镁、铜、铝、钛、铁、塑料、陶瓷或它们的组合。较高延展性和较低强度的材料可以通过冷喷(或以其它方式增材制造)来增材沉积。较高延展性和较低强度的材料可以增材沉积在特定区块处。在特定区块处的冷喷(或者以其它方式增材制造)可以允许可调的折皱传播。
图8A-8B是提供了心轴802和可以使用该心轴802制成的结构格栅804的示例的图示800。一方面，心轴可以是牺牲性的。因此，在一些示例中，在沉积完成之后，心轴可以被移除。结构格栅804可以包括第一材料806和第二材料808。第一材料806和第二材料808可以被冷喷沉积810(或以其它方式增材制造)。
如上所述，一方面可以使用心轴802(例如，塑料的、金属的)以形成薄壁碰撞导轨形状的结构格栅804。结构格栅804可以包裹在结构(比如管)周围、放置在结构上、固定至结构、或以其它方式联接或连接至结构。结构格栅804可以向结构(例如，管)提供增加的强度。结构的增加的强度可以允许结构被用作薄壁碰撞导轨。
如上所述，一方面可以通过策略性地放置在格栅804中的特定的高延展性、低屈曲的材料来增加结构格栅的吸收能量的能力。例如，结构格栅804可以由各种材料制成，包括但不限于，镁、铜、铝、钛、铁、塑料、陶瓷、或者它们的组合。所使用的一种或更多种材料可以向结构格栅804提供吸收能量的能力。材料可以是策略性地放置在格栅中的特定的高延展性、低屈曲的材料。材料在结构格栅804中的定位可以增加结构格栅804的吸收能量的能力。如上所述，一方面可以通过以特定几何构型图案的多种混合材料来增加结构格栅804的吸收能量的能力，以致使碰撞能量被引导至可以发生转化的区块。
提供先前的描述是为了使所属领域的技术人员能够实践本文中所描述的各种方面。贯穿本公开内容给出的对这些示例性实施例的各种修改对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且本文公开的概念可以施用至用于打印具有增加的能量吸收特性的结构的其它技术。因此，权利要求不旨在限于贯穿本公开内容给出的示例性实施例，而是与符合语言权利要求的全部范围相一致。贯穿本公开内容所描述的示例性实施例的元件的所有结构和功能等同物都是本领域普通技术人员已知的或以后将为本领域普通技术人员所公知的，其旨在由权利要求书涵盖。此外，无论在权利要求中是否明确地叙述了这样的公开内容，本文所公开的内容都不旨在致力于公众。在35 U.S.C§112(f)的条款或适用司法管辖权内的类似法律下，将不解释权利要求的要素，除非使用短语“意味着”来清楚地叙述该要素，或者在方法权利要求的情况中，使用短语“用于……的步骤”来叙述该要素。

Claims (35)

1.一种能量吸收结构，包括：
第一结构区域；
第二结构区域；以及
增材制造的碰撞部件，所述增材制造的碰撞部件定位在所述第一结构区域与所述第二结构区域之间，所述增材制造的碰撞部件包括至少一个壳体层以及空间相关的轮廓，所述增材制造的碰撞部件被构造成吸收并重新分布来自所述第一结构区域和所述第二结构区域中的至少一个的碰撞能量，使得当碰撞能量被施加到增材制造的碰撞部件时，加速度曲线被减小。
2.根据权利要求1所述能量吸收结构，其中，所述增材制造的碰撞部件包括热处理区域，所述热处理区域被构造成吸收并重新分布来自所述第一结构区域和所述第二结构区域中的至少一个的碰撞能量。
3.根据权利要求1所述的能量吸收结构，
其中，所述增材制造的碰撞部件被构造成通过吸收一定量的碰撞能量来吸收并重新分布来自所述第一结构区域与所述第二结构区域中的至少一个的碰撞能量；并且
其中，所述一定量的碰撞能量基于所述空间相关的轮廓。
4.根据权利要求3所述的能量吸收结构，其中，所述空间相关的轮廓包括壳体参数。
5.根据权利要求4所述的能量吸收结构，其中，所述壳体参数包括壳体厚度、横截面几何构型、壳体尺寸或壳体密度中的至少一个，所述壳体厚度被构造成根据位置而改变，所述壳体密度被构造成根据位置而改变。
6.根据权利要求3所述的能量吸收结构，其中，所述空间相关的轮廓包括壳体材料。
7.根据权利要求3所述的能量吸收结构，其中，所述增材制造的碰撞部件被构造成基于预期的安全气囊展开轮廓或减速曲线中的至少一个来吸收所述一定量的碰撞能量。
8.根据权利要求1所述的能量吸收结构，其中，所述增材制造的碰撞部件的内部空腔包括泡沫。
9.根据权利要求1所述的能量吸收结构，其中，所述增材制造的碰撞部件是框架挤压导轨。
10.一种能量吸收结构，包括增材制造的碰撞部件，所述增材制造的碰撞部件包括：
内部中空区域；
壳体，所述壳体具有可变的横截面轮廓，该可变的横截面轮廓被配置为吸收和重新分布能量，使得当能量被施加到增材制造的碰撞部件时，加速度曲线被减小。
11.根据权利要求10所述的能量吸收结构，其中，所述增材制造的碰撞部件进一步包括至少一个增材制造的加强元件。
12.根据权利要求10所述的能量吸收结构，其中，所述可变的横截面轮廓被构造成加强变形模式和能量吸收能力。
13.根据权利要求10所述的能量吸收结构，其中，所述可变的横截面轮廓包括计量的厚度，所述计量的厚度为所述碰撞部件的长度的函数。
14.根据权利要求13所述的能量吸收结构，其中，所述可变的横截面轮廓包括至少一个挤压启动特征，所述至少一个挤压启动特征被构造成在冲击事件期间启动所述增材制造的碰撞部件的结构坍塌。
15.根据权利要求14所述的能量吸收结构，其中，所述至少一个挤压启动特征被构造成在冲击事件期间经由几何构型改变或材料改变中的至少一种来启动所述增材制造的碰撞部件的结构坍塌。
16.根据权利要求14所述的能量吸收结构，所述至少一个挤压启动特征是基于三维打印机的打印参数的增材制造的特征。
17.根据权利要求14所述的能量吸收结构，其中，所述增材制造的碰撞部件被构造成执行以下的至少一种：在所述冲击事件期间相当多地吸收一定量的冲击能量；或者在冲击事件期间相当多地吸收并重新分布一定量的冲击能量远离乘员。
18.一种能量吸收结构，包括增材制造的碰撞结构，所述增材制造的碰撞结构包括：
目标冲击位置；以及
增材制造的开孔结构，所述增材制造的开孔结构位于所述目标冲击位置处，使得当所述目标冲击位置被冲击时，加速度曲线被减小。
19.根据权利要求18所述的能量吸收结构，
其中，所述增材制造的碰撞结构定位在结合有所述能量吸收结构的运输交通工具的前部处；并且
其中，所述目标冲击位置在所述增材制造的碰撞结构的前部。
20.根据权利要求18所述的能量吸收结构，
其中，所述增材制造的碰撞结构定位在结合有所述能量吸收结构的运输交通工具的后部处；并且
其中，所述目标冲击位置在所述增材制造的碰撞结构的后部。
21.根据权利要求18所述的能量吸收结构，其中，所述增材制造的开孔结构包括格栅。
22.根据权利要求21所述的能量吸收结构，
其中，所述格栅包括可变的格栅密度，所述可变的格栅密度是距所述目标冲击位置的距离的函数；并且
其中，至少在所述目标冲击位置处具有所述可变的格栅密度。
23.根据权利要求21所述的能量吸收结构，其中，所述增材制造的格栅包括缓冲器。
24.一种能量吸收结构，包括：
第一结构区域；
第二结构区域；以及
增材制造的碰撞部件，所述增材制造的碰撞部件定位在所述第一结构区域和所述第二结构区域之间，所述增材制造的碰撞部件包括：
基础结构，以及
从属结构，所述从属结构被添加至所述基础结构并且被构造成结合所述基础结构形成能量吸收结构位置，使得当所述能量吸收结构位置被冲击时，加速度曲线被减小。
25.根据权利要求24所述的能量吸收结构，其中，所述从属结构包括增材沉积的材料，所述增材沉积的材料是相对于所述基础结构具有较低强度和较高延展性的材料，所述增材沉积的材料被增材沉积在所述基础结构上的所选位置处，使得所述能量吸收结构被构造成用作折皱启动器。
26.根据权利要求24所述的能量吸收结构，其中，所述从属结构包括结构格栅，所述结构格栅被构造成形成碰撞导轨。
27.根据权利要求26所述的能量吸收结构，其中，所述结构格栅被构造成使用策略性地放置在所述格栅中的高延展性、低屈曲的材料来吸收能量。
28.根据权利要求26所述的能量吸收结构，其中，所述结构格栅被构造成将碰撞能量引导至使用特定几何构型图案的多种混合材料进行转化的区块。
29.根据权利要求24所述的能量吸收结构，其中，所述基础结构被增材制造。
30.根据权利要求24所述的能量吸收结构，其中，所述基础结构为挤出件。
31.根据权利要求30所述的能量吸收结构，其中，所述从属结构包括增材沉积的结构，所述增材沉积的结构被增材沉积在所述挤出件上并被构造成选择性地强化一个区块超过另一个区块，从而控制所述能量吸收结构的折皱。
32.根据权利要求31所述的能量吸收结构，其中，所述增材沉积的结构包括冷喷材料。
33.根据权利要求24所述的能量吸收结构，其中，所述基础结构为中空方形复合材料管。
34.根据权利要求33所述的能量吸收结构，其中，所述从属结构包括冷喷材料。
35.根据权利要求34所述的能量吸收结构，其中，所述冷喷材料在所述中空方形复合材料管的外部上包括坚固的有延展性的铝合金，以便形成混合碳纤维加强聚合物-铝碰撞导轨。
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