CN112163291A - 一种増材制造中多材料力学功能件的成形方法及产品 - Google Patents

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Abstract

本发明属于増材制造相关技术领域，并公开了一种増材制造中多材料力学功能件的成形方法及产品。该成形方法包括下列步骤：S1将待成形对象分为多个部分，分析并测定每个部分的力学性能；构建单胞库；S2利用单胞库中的单胞结构形成点阵结构，以此获得每个部分对应的点阵结构；S3选取所述点阵结构的原材料，测定每个点阵结构的力学性能，并与待成形对象所需每个部分的力学性能进行比较，当满足每个部分的力学性能时，该点阵结构即为所需的点阵结构，否则，返回步骤S2；S4采用増材制造的方法成形三维模型，以此获得所需的待成形对象。通过本发明，实现成型零件的轻量化，以及多材料到单一材料的转化，简化生产，降低成本。

Description

一种増材制造中多材料力学功能件的成形方法及产品
技术领域
本发明属于増材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种増材制造中多材料力学功能件的成形方法及产品。
背景技术
随着机械工程的不断进步，功能构件的种类层不不穷，但是对材料的要求也不断提高，多材料力学功能构件通过改变材料种类以及组合方式实现不同部位的力学性能变化，因此被予以广泛应用。但基于多材料力学功能构件微观组织上存在不同材料的粘接，容易造成应力集中，且制作成本增加。
点阵结构具备较高的比强度等力学特性，通过控制点阵单胞类型、尺寸及周期性排列方式等实现可控的力学性能。且近些年增材制造技术迅速发展，可制备高精度、表面质量良好的点阵结构。因此可以通过增材制造利用单一材料制备多种不同力学性能的点阵结构进行组合替代多材料力学功能构件，内部无异种材料粘合，使力学性能过渡平滑，避免应力集中，同时降低成本，实现轻量化。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种増材制造中多材料力学功能件的成形方法及产品，通过选取单胞结构，然后利用单胞结构形成每个部分的点阵结构，相比待成形零件的实体结构而言，点阵结构一方面满足了产品的力学性能，另一方面点阵结构的结构相当于实体结构更加轻量化，大大降低了原零件的质量，提高了材料的利用率。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种増材制造中多材料力学功能件的成形方法，其特征在于，该成形方法包括下列步骤：
S1对于包括多种材料的待成形对象，按照不同种类的材料将该待成形对象分为多个部分，分析并测定每个部分的力学性能；构建包括多个单胞结构的数据库，即单胞库；
S2对于待成形对象的每个部分，从所述单胞库中选取一种单胞结构，利用该单胞结构形成点阵结构，以此获得所述待成形对象每个部分对应的点阵结构；
S3选取所述点阵结构的原材料，测定每个点阵结构的力学性能，并与步骤S1中的待成形对象每个部分的力学性能进行比较，当每个部分对应的点阵结构的力学性能不小于步骤S1中的待成形对象每个部分的力学性能时，该点阵结构即为所需的点阵结构，否则，返回步骤S2；
S4将经过步骤S3获得的每个部分对应的点阵结构组装成待成形对象的三维模型，采用増材制造的方法成形该三维模型，以此获得所需的待成形对象。
进一步优选地，在步骤S1中，所述测定每个部分的力学性能采用的方法为通过实验测定或有限元仿真实现。
进一步优选地，在步骤S1中，所述单胞库中的单胞结构的力学参数已知，所述力学参数包括杨氏模量、体积模量和剪切模量。
进一步优选地，在步骤S1中，所述单胞库中的单胞结构优选为简单立方、面心立方、体心立方、正八面体、八重桁架或三维极小曲面。
进一步优选地，在步骤S3中，所述选取点阵结构的原材料，该原材料为一种材料，即每个部分对应的点阵结构其原材料相同，均为所选取的材料。
进一步优选地，在步骤S4中，所述点阵结构组装成待成形对象的三维模型时，还包括在不同部分的连接界面处，设定连接结构，使得组装后获得的三维模型满足整体待成形对象的力学性能要求。
进一步优选地，在步骤S4中，所述増材制造的方法根据选取的原材料进行选择，对于金属材料，选择激光选区烧结成形或激光烧结技术；对于工程塑料采用熔融沉积成型；对于光敏材料选择光固化成型。
按照本发明的另一个方面，提供了一种上述所述的成形方法制备获得的产品。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的下列有益效果：
1.本发明中通过选取单胞结构，然后利用单胞结构形成每个部分的点阵结构，相比待成形零件的实体结构而言，点阵结构一方面满足了产品的力学性能，另一方面点阵结构的结构相对于实体结构更加轻量化，大大降低了原零件的质量，提高了材料的利用率；
2.本发明中根据零件的材料将零件分为多个部分，每个部分制备为不同的点阵结构，在成形过程中，避免不同部分的内部出现异种材料，以及不同部分中异种材料的粘结和应力集中；
3.本发明中通过选取3D打印成形待成形零件，主要是由于3D打印过程中是按照切片成形，对于每层结构不同的部分可以同时成形，不是分区成形，因此最终获得的产品整体性能优良，避免不同部分之间的衔接处的连接缺陷，生产高精度，使得获得的材料力学功能构件表面质量优异；
4.本发明的方法中选取的所有点阵结构的材料均相同，也就是将原待成形的多材料零件采用一种材料打印成形，通过增材制造制备的单一材料力学功能构件替代传统的多材料力学功能构件，该单一材料力学功能构件各部位由多种点阵单胞周期性叠加形成，实现该构件不同部位具备不同的力学性能，依据多材料力学功能构件的力学性能对单一材料力学功能构件相应位置进行点阵单胞设计并进行周期性排列形成点阵结构，从而达到多材料力学功能构件具备的力学性能，相比多材料力学功能构件，单一材料力学功能构件制造简单，成本降低；微观上无异种材料粘结，力学性能过渡平滑，避免多材料力学功能构件承载外力时内部连接部位出现应力集中，采用增材制造技术替代传统加工手段，可制备形状复杂，内部结构精密的单一材料力学功能构件。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的増材制造中多材料力学功能件的成形方法流程图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的面心立方点阵结构与八重桁架点阵结构侧面直接连接示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的简单立方点阵结构与修正后的正八面体点阵结构侧边直接连接图，其中，(a)是连接示意图；(b)与简单立方结构相连的正八面体点阵结构修正后的连接面视图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的简单立方点阵结构与正八面体点阵结构侧面通过实心固体板间接连接示意图；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的待成形的多材料力学功能构件示意图；
图6是按照本发明的优选实施例所构建的图5所示的多材料力学功能构件按照本发明的方法制备出的单一材料功能构件示意图；
图7是按照本发明的优选实施例所构建的图6的俯视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种増材制造中多材料力学功能件的成形方法，包括测定多材料力学功能部件中不同部分力学性能；选择用于制备单一材料力学功能构件的原材料；构建单胞库，选择合适的单胞类型、尺寸及周期性阵列方式形成的点阵结构；测定形成的点阵结构力学性能，若不符合，返回至上一步，重新选择单胞类型、尺寸、周期性阵列方式形成的点阵结构；若符合要求，利用增材制造技术制备单一材料力学功能构件。
进一步地，测定多材料力学功能构件各部分力学性能，包括通过实验或者有限元仿真(FEM)测定力学性能；
多材料力学功能构件不同部分拥有变化的力学性能，具备相同力学性能的部分设定为一个整体。因此，多材料力学功能构件拥有a(a＝1,2,3,4,……,n)种不同力学性能的整体，直接采用实验测定或者CAD建模后导入FEM软件中计算由多材料力学功能构件划分出的a个整体部分的力学性能。
进一步地，选择一种用于制备单一材料力学功能构件的原材料，包括根据多材料功能构件各部分具备的力学性能、原材料的成本及功能构件的应用场景合理选择；
基于单一材料制备的点阵单胞力学性能低于实心的材料，因此单一材料制备的点阵结构可调控的力学性能范围在实心单一材料以下，因此所选择的单一材料相应的力学性能需高于多材料力学功能构件划分出的a个整体中任何一个，满足以上要求的原材料如果不止1种，可根据原材料的成本、单一材料力学功能构件的应用场景合理选择。
进一步地，单胞库的构建，选择合适的单胞类型、尺寸及周期性阵列方式形成的点阵结构，包括自行设计单胞或引用已有的单胞并进行合理的组合；
材料库中需包含多种点阵单胞，运用CAD独立设计出点阵单胞类型，在有限元仿真(FEM)软件中计算出单胞的力学特性，包括杨氏模量、体积模量、剪切模量等力学参数，根据计算结果汇总出力学参数随条件(桁架尺寸，单胞直径等)变化曲线、方程，导入MATLAB等数学计算软件中，MATLAB等数学计算软件可人为改变单胞尺寸、周期性阵列方式并计算出改变后的力学参数变化规律；使用科研工作者已经设计出的点阵单胞，如简单立方(SC)、面心立方(FCC)、体心立方(BCC)、正八面体(Octahedron)、八重桁架(Octet truss)和三维极小曲面(TPMS)等，将相应的力学性能随单胞尺寸、周期性阵列方式的变化公式存入MATLAB等数学计算软件中；
根据输入的多材料功能部件划分出第1个整体的尺寸、力学性能及所选择出的单一材料的力学参数设计合适的单胞类型、尺寸及单胞周期性阵列方式，与之相对应的单胞类型、尺寸及周期性排列方式配合形成的点阵结构共b1(b＝1，2，3，4，......，n)种，选择其中1种点阵结构替代多材料的多材料力学功能构件划分出的第1个整体，剩下的b1-1种用于备用；同理，多材料力学功能构件划分出的第2个、第3个、第4个、……、第a个整体均采用以上方法。最终选择a种点阵结构用于替代多材料力学功能构件划分出的a个整体。剩余的b2-1，b3-1，b4-1，……，ba-1种用于备选。
进一步地，测定选择出的a种点阵结构力学性能，包括验证点阵结构的力学性能是否符合要求；
点阵单胞阵列后可能形成不规则的点阵结构，MATLAB中基于点阵单胞计算出的力学性能与实际应用或许存在偏差，需通过有限元仿真(FEM)进一步验证，若力学性能符合相对应的a个多材料整体，即可对a种点阵结构直接进行三维空间组合，若力学性能不符合要求，返回至点阵单胞库选择备用的点阵结构，直至形成与多材料力学功能构件力学性能近似的单一材料力学功能构件。
进一步地，对a种点阵结构进行三维空间组合，包括直接叠加组合、间接叠加组合；
两种结构的侧面沿着纵向或垂直方向直接叠加，当两种结构具备相似的单胞尺寸，且可以在侧面直接进行连接。如图2所示，以面心立方点阵结构(FCC)和八重桁架点阵结构(Octet truss)为说明，FCC结构的侧边框直接与八重桁架侧边框结合。两种结构的侧面沿着纵向或垂直方向直接叠加，当两种结构具备相似的单胞尺寸，但侧面直接连接无法实现。以简单立方点阵结构(SC)和正八面体点阵结构(Octahedron)点阵结构的组合说明，两个结构在水平或者垂直方向上无法直接结合，即FCC点阵结构的侧面为正方形框架，框架内部无固体结构存在，正八面体点阵结构(Octahedron)的侧面实心部分位于正方形框架中心，正方形框架外围无固体结构，无法形成联合的整体。如图3中(a)和(b)所示，通过去除正八面体点阵结构(Octahedron)部分区域，改变正八面体点阵结构(Octahedron)侧面实心位置，实现修正后的正八面体点阵结构(Octahedron)侧面实心位置可以与简单立方点阵结构(SC)正方形边部固体框架结合。修正后的结合点阵结构相应的力学参数会产生波动，因此，本方法只能得到近似的力学性能；
两种结构的侧面沿着纵向或垂直方向直接叠加，当两种结构的单胞尺寸相差较大，直接叠加或者通过修正改变点阵结构侧面均无法形成稳固结合，在侧面添加实心固体板进行连接，以单胞尺寸较大的简单立方点阵结构(SC)和单胞尺寸较小的正八面体点阵结构(Octahedron)的连接方式为例，如图4所示，在连接处添加实心固体板进行间接连接，实心固体板厚度根据需求自行选择，本方法只能得到近似的力学性能，添加实心固体板的目的是保证两种点阵结构联合部位力学性能过渡平滑，减小应力集中出现的可能性；
以上方法均为通过直接或间接的方式连接，连接方式较为生硬，部分情况下存在明显的尖锐拐角，容易造成应力集中，可根据需要将连接处尖锐拐角去除或进行平滑过渡处理，也可自行设计连接处的连接方式。
进一步地，制造具备多种点阵结构混合的单一材料力学功能构件，包括根据材料种类选择合理的增材制造手段。
基于多种点阵结构混合的单一材料功能构件拥有复杂的形状，对于大型构件可以通过熔模铸造、熔融气注入、物理气相沉积、钣金技术等加工方法制造，但是多材料力学功能构件具备尺寸小、形状复杂的特点，以上加工技术难以得到良好的内部点阵单胞，承载外力时存在明显的应力波动。因此，选择可以制作精度高、获得良好的表面的增材制造技术(AM)替代以上传统加工技术，根据材料种类选择合理的增材技术手段，激光选区熔化(SLM)、激光烧结技术(SLM)适用于钛合金、不锈钢、铝合金等金属材料；熔融沉积成型(FDM)适用于PLA、尼龙等工程塑料，光固化成型(SLA)适用于光敏树脂等光敏材料。
如图5所示，给出了一种多材料力学功能构件，由两种不同材料的立方体外围和圆柱体心部组成，如图6所示，给出了两种点阵结构组成立方体外围和圆柱形心部的单一材料力学功能构件，如图7所示，为两种点阵结构组合后的俯视图，两种点阵结构组合后的单一材料力学功能构件的外观与多材料力学功能构件相似，后续可通过调整材料种类、单胞类型、尺寸以及阵列方式实现所需力学性能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种増材制造中多材料力学功能件的成形方法，其特征在于，该成形方法包括下列步骤：
S1对于包括多种材料的待成形对象，按照不同种类的材料将该待成形对象分为多个部分，分析并测定每个部分的力学性能；构建包括多个单胞结构的数据库，即单胞库；
S2对于待成形对象的每个部分，从所述单胞库中选取一种单胞结构，利用该单胞结构形成点阵结构，以此获得所述待成形对象每个部分对应的点阵结构；
S3选取所述点阵结构的原材料，测定每个点阵结构的力学性能，并与步骤S1中的待成形对象每个部分的力学性能进行比较，当每个部分对应的点阵结构的力学性能不小于步骤S1中的待成形对象每个部分的力学性能时，该点阵结构即为所需的点阵结构，否则，返回步骤S2；
S4将经过步骤S3获得的每个部分对应的点阵结构组装成待成形对象的三维模型，采用増材制造的方法成形该三维模型，以此获得所需的待成形对象。
2.如权利要求1所述的一种増材制造中多材料力学功能件的成形方法，其特征在于，在步骤S3中，所述选取点阵结构的原材料，该原材料为一种材料，即每个部分对应的点阵结构其原材料相同，均为所选取的材料。
3.如权利要求1所述的一种増材制造中多材料力学功能件的成形方法，其特征在于，在步骤S1中，所述测定每个部分的力学性能采用的方法为通过实验测定或有限元仿真实现。
4.如权利要求1所述的一种増材制造中多材料力学功能件的成形方法，其特征在于，在步骤S1中，所述单胞库中的单胞结构的力学参数已知，所述力学参数包括杨氏模量、体积模量和剪切模量。
5.如权利要求1所述的一种増材制造中多材料力学功能件的成形方法，其特征在于，在步骤S1中，所述单胞库中的单胞结构优选为简单立方、面心立方、体心立方、正八面体、八重桁架或三维极小曲面。
6.如权利要求1所述的一种増材制造中多材料力学功能件的成形方法，其特征在于，在步骤S4中，所述点阵结构组装成待成形对象的三维模型时，还包括在不同部分的连接界面处，设定连接结构，使得组装后获得的三维模型满足整体待成形对象的力学性能要求。
7.如权利要求1所述的一种増材制造中多材料力学功能件的成形方法，其特征在于，在步骤S4中，所述増材制造的方法根据选取的原材料进行选择，对于金属材料，选择激光选区烧结成形或激光烧结技术；对于工程塑料采用熔融沉积成型；对于光敏材料选择光固化成型。
8.一种权利要求1-7任一项所述的成形方法制备获得的产品。
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