CN112705709A - 一种蜂窝夹层件及其增材制造方法 - Google Patents

一种蜂窝夹层件及其增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种蜂窝夹层件及其增材制造方法，属于加工制造技术领域，用于解决现有技术中蜂窝夹层件制造工序复杂、时间长、成本高、具有大量的同时连接面等问题。本发明的蜂窝夹层件包括多层平行布置的蒙皮以及位于相邻两层蒙皮之间的蜂窝件，蜂窝件包括多个紧密排列的蜂窝胞元，蜂窝胞元填充满相邻两层蒙皮之间的空间，蒙皮和蜂窝胞元构成封闭容腔，且相邻两个蜂窝胞元共用一个胞壁。本发明的增材制造方法采用激光选区熔化增材制造方法或光固化增材制造方法一体成形制造蒙皮和蜂窝件。本发明的蜂窝夹层件及其增材制造方法可用于航空航天等领域的承力结构件。

Description

一种蜂窝夹层件及其增材制造方法
技术领域
本发明属于加工制造技术领域，尤其涉及一种蜂窝夹层件及其一体化增材制造方法。
背景技术
蜂窝夹层件是一种轻量化、高比强度、高比刚度的结构，尤其适用于航空航天等领域。
传统的蜂窝夹层件的制造需要多道工序，花费大量的时间和成本，所制造的蜂窝结构体具有大量的双层连接面也成为失效源。
中国专利申请CN109681762A公开了一种蜂窝结构件的制造方法，其需要首先将多个形状相同的结构单元按照预设规则排列然后焊接后制造成蜂窝芯部，此外，蜂窝结构单元也需要挤压成形，整体成形流程复杂。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种蜂窝夹层件及其一体化增材制造方法，用于解决现有技术中蜂窝夹层件制造工序复杂、时间长、成本高、具有大量的同时连接面等问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种蜂窝夹层件，包括多层平行布置的蒙皮以及位于相邻两层蒙皮之间的蜂窝件，蜂窝件包括多个紧密排列的蜂窝胞元，蜂窝胞元填充满相邻两层蒙皮之间的空间，蒙皮和蜂窝胞元构成封闭容腔，且相邻两个蜂窝胞元共用一个胞壁。
进一步地，上述蜂窝夹层件采用增材制造方法制得。
进一步地，蜂窝胞元的横截面的形状为非等胞壁六胞壁形，蜂窝胞元的横截面沿其中心点具有旋转对称性，沿蜂窝胞元的横截面的内切椭圆的长轴和短轴具有二重镜面对称性，且增材方向与长轴方向平行。
进一步地，蜂窝胞元的内切椭圆的长轴与短轴比在1.1～1.5。
进一步地，蜂窝胞元的竖直胞壁与与其相邻的倾斜胞壁的夹角为α，90°＜α＜180°。
进一步地，120°≤α≤150°。
进一步地，蜂窝胞元包括沿顺指针方向依次首尾连接的六条胞壁，分别为第一胞壁、第二胞壁、第三胞壁、第四胞壁、第五胞壁和第六胞壁；其中，第三胞壁与第六胞壁相互平行且沿增材方向布置，称为竖直胞壁；第一胞壁与第四胞壁相互平行，相对于增材方向倾斜布置，称为倾斜胞壁；同样地，第二胞壁与第五胞壁相互平行，相对于增材方向倾斜布置，称为倾斜胞壁。
进一步地，倾斜胞壁上开设用于排出废料的漏料孔。
进一步地，两个倾斜胞壁与一个竖直胞壁的连接处开设漏料孔。
进一步地，漏料孔直径为3mm～5mm。
进一步地，上述蜂窝胞元的胞壁垂直于蒙皮。
进一步地，上述蜂窝胞元的胞壁壁厚为0.3mm～1mm。
进一步地，上述蒙皮的厚度为0.5mm～2mm。
本发明还提供了一种蜂窝夹层件的增材制造方法，采用激光选区熔化增材制造方法或光固化增材制造方法一体成形制造蒙皮和蜂窝件。
进一步地，采用激光选区熔化增材制造方法制造蜂窝夹层件，蜂窝夹层件的材料为高温合金、不锈钢或钛合金中的一种。
进一步地，激光选区熔化增材制造方法包括如下步骤：
步骤A：生成蜂窝夹层件模型数据；
步骤B：提供一基板；
步骤C：在基板上铺设粉末层，粉末层厚度为0.01～0.06mm(例如，0.04mm)；
步骤D：根据蜂窝夹层件模型数据采用激光选区熔化粉末层中与蜂窝夹层件模型对应的部分，激光功率为320～400W(例如，350W)，扫描速度为780～850mm/s(例如，800mm/s)；
步骤E：重复步骤C～D，直至完成蜂窝夹层件的增材制造，获得蜂窝夹层件。
进一步地，采用光固化增材制造方法制造蜂窝夹层件，蜂窝夹层件的材料为高分子材料。
进一步地，高分子材料为PLA(Polylactic Acid，聚乳酸纤维)、ABS树脂(丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三种单体的三元共聚物)、PVA树脂(聚乙烯醇)或PA(Polyamide，聚酰胺)。
进一步地，光固化增材制造方法包括如下步骤：
步骤a：生成蜂窝夹层件模型数据；
步骤b：提供一基板；
步骤c：在基板上涂覆浆料层，浆料层厚度为0.01～0.06mm(例如，0.03mm)；
步骤d：根据蜂窝夹层件模型数据采用光选区固化浆料层中与蜂窝夹层件模型对应的部分，激光功率为48～56W(例如，50W)；
步骤e：重复步骤c～d，直至完成蜂窝夹层件的增材制造，获得蜂窝夹层件。
进一步地，蜂窝胞元的胞壁与增材方向夹角小于或等于45°。
进一步地，蜂窝胞元的胞壁与增材方向夹角为20～40°。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
a)本发明提供的蜂窝夹层件为一体成形的整体结构，相邻两个蜂窝胞元共用一个胞壁，相邻两个蜂窝胞元之间不存在双层连接面，从而能够避免在蜂窝夹层件使用过程中双层连接面发生开裂而导致失效的现象发生，大大提高了蜂窝夹层件整体的比强度和比刚度，延长了蜂窝夹层件的使用寿命。
b)本发明提供的蜂窝夹层件，采用增材制造方法需要增材方向与蜂窝胞元的胞壁方向相接近，两者之间的夹角越小越好，夹角越小，增材制造过程中的成形稳定性更好，底层已经成形的截面能够对正在成形的截面进行更好地支撑，所获得的蜂窝夹层件的材料更加致密，缺陷较少，使得蜂窝夹层件的比刚度和比强度更高。
c)本发明提供的蜂窝夹层件的增材制造方法能够一体成形制造蒙皮和蜂窝件，从而解决传统蜂窝结构件需要先制造蜂窝件制造然后再连接蒙皮造成的工序复杂、缺陷难控制的问题。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体发明的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1是蜂窝夹层件的截面图；
图2是蜂窝夹层件的漏粉孔开孔位置示意图。
附图标记：
1-蜂窝胞元；2-蒙皮；3-第一胞壁；4-第二胞壁；5-第三胞壁；6-第四胞壁；7-第五胞壁；8-第六胞壁；9-漏料孔。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选发明，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明一起用于阐释本发明的原理。
本发明提供了一种蜂窝夹层件，参见图1至图2，包括多层平行布置的蒙皮2以及位于相邻两层蒙皮2之间的蜂窝件，蜂窝件包括多个紧密排列的蜂窝胞元1，蜂窝胞元1填充满相邻两层蒙皮2之间的空间，蒙皮2和蜂窝胞元1构成封闭容腔，且相邻两个蜂窝胞元1共用一个胞壁。
与现有技术相比，本发明提供的蜂窝夹层件为一体成形的整体结构，相邻两个蜂窝胞元1共用一个胞壁，相邻两个蜂窝胞元1之间不存在双层连接面，从而能够避免在蜂窝夹层件使用过程中双层连接面发生开裂而导致失效的现象发生，大大提高了蜂窝夹层件整体的比强度和比刚度，延长了蜂窝夹层件的使用寿命。
示例性地，为了获得一体成形的整体结构，上述蜂窝夹层件采用增材制造方法制得。需要说明的是，增材制造(Additive Manufacturing，AM)俗称3D打印，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除－切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法。
从成形工艺角度和力学性能角度考虑，蜂窝胞元1的横截面的形状为非等胞壁六胞壁形，蜂窝胞元1的横截面沿其中心点具有旋转对称性，沿蜂窝胞元1的横截面的内切椭圆的长轴和短轴具有二重镜面对称性，且增材方向与长轴方向平行，这是因为，采用增材制造方法需要增材方向与蜂窝胞元1的胞壁方向相接近，两者之间的夹角越小越好，夹角越小，增材制造过程中的成形稳定性更好，底层已经成形的截面能够对正在成形的截面进行更好地支撑，所获得的蜂窝夹层件的材料更加致密，缺陷较少，使得蜂窝夹层件的比刚度和比强度更高。
为了进一步调整增材方向与蜂窝胞元1的胞壁之间的角度，蜂窝胞元1的内切椭圆的长轴与短轴比在1.1～1.5。这样，将蜂窝胞元1的内切椭圆的长轴与短轴比控制在上述范围内，能够使得蜂窝胞元1的胞壁方向尽量靠近增材方向，从而便于增材制造，进一步提高蜂窝夹层件的比刚度和比强度。
或者，除了调整蜂窝胞元1的内切椭圆的长轴与短轴比，还可以通过调整蜂窝胞元1的竖直胞壁与倾斜胞壁的夹角来调整增材方向与蜂窝胞元1的胞壁之间的角度，这是因为，竖直胞壁与蜂窝胞元1的内切椭圆的长轴(也就是增材方向)平行，为了适应增材制造，实际上需要调整的是蜂窝胞元1的倾斜胞壁与增材方向的夹角，具体来说，蜂窝胞元1的竖直胞壁与与其相邻的倾斜胞壁的夹角为α，90°＜α＜180°，例如，120°≤α≤150°。同样地，将蜂窝胞元1的竖直胞壁与与其相邻的倾斜胞壁的夹角控制在上述范围内，能够使得蜂窝胞元1的胞壁方向尽量靠近增材方向，从而便于增材制造，进一步提高蜂窝夹层件的比刚度和比强度。
需要说明的是，对于每个蜂窝胞元1来说，其包括沿顺指针方向依次首尾连接的六条胞壁，分别为第一胞壁3、第二胞壁4、第三胞壁5、第四胞壁6、第五胞壁7和第六胞壁8；其中，第三胞壁5与第六胞壁8相互平行且沿增材方向布置，称为竖直胞壁；第一胞壁3与第四胞壁6相互平行，相对于增材方向倾斜布置，称为倾斜胞壁；同样地，第二胞壁4与第五胞壁7相互平行，相对于增材方向倾斜布置，称为倾斜胞壁。上述夹角α是指第六胞壁8分别与第一胞壁3和第五胞壁7的夹角以及第三胞壁5分别与第二胞壁4和第四胞壁6的夹角。
值得注意的是，在增材制造过程中会产生一定的废料(例如，未熔化的粉末或未固化的浆料)，为了便于上述废料从蜂窝胞元1与蒙皮2形成的封闭容腔中排出，倾斜胞壁上开设用于排出废料的漏料孔9，多个倾斜胞壁上开设的多个漏料孔9相互连通构成废料排出的通道，从而能够将废料从蜂窝胞元1中排出。
值得注意的是，在实际应用中，上述废料容易堆积在两个倾斜胞壁的夹角处，导致无法从蜂窝胞元1中排出，因此，还可以在两个倾斜胞壁与一个竖直胞壁的连接处进一步开设漏料孔9。这样，废料不仅能够从倾斜胞壁上的漏料孔9排出，还能够从两个倾斜胞壁与一个竖直胞壁的连接处的漏料孔9排出，从而减少废料在两个倾斜胞壁的夹角处堆积的情况发生。
为了便于废料在漏料孔9中的流动，漏料孔9需要具有足够大的直径，但是，漏料孔9的设置实际上会降低蜂窝胞元1的倾斜胞壁的强度，漏料孔9的直径不宜过大，具体来说，漏料孔9直径为3mm～5mm。
由于上述蜂窝夹层件为承力结构件，为了提高上述蜂窝夹层件的受力均匀性，上述蜂窝胞元1的胞壁垂直于蒙皮2，这样，相邻两层蒙皮2之间的蜂窝胞元1为对称结构，使得相邻两层蒙皮2的受力均匀，从而能够保证蜂窝件层间的整体结构的稳定性，减少其中一层蒙皮2由于受力过大而发生变形、损坏的情况发生。
从轻量化以及力学性能方面的综合考虑，上述蜂窝胞元1的胞壁壁厚为0.3mm～1mm。
同样地，从轻量化以及力学性能方面的综合考虑，上述蒙皮2的厚度为0.5mm～2mm。
本发明还提供了一种蜂窝夹层件的增材制造方法，该增材制造方法采用激光选区熔化增材制造方法或光固化增材制造方法一体成形制造蒙皮和蜂窝件。
与现有技术相比，本发明提供的蜂窝夹层件的增材制造方法的有益效果与上述提供的蜂窝夹层件的有益效果基本相同，在此不一一赘述。
此外，上述蜂窝夹层件的增材制造方法能够一体成形制造蒙皮和蜂窝件，从而解决传统蜂窝结构件需要先制造蜂窝件制造然后再连接蒙皮造成的工序复杂、缺陷难控制的问题。
具体来说，采用激光选区熔化增材制造方法制造蜂窝夹层件，蜂窝夹层件的材料为高温合金、不锈钢或钛合金中的一种。
需要说明的是，高温合金是指是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料，具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。
激光选区熔化增材制造方法包括如下步骤：
步骤A：生成蜂窝夹层件模型数据；
步骤B：提供一基板；
步骤C：在基板上铺设粉末层，粉末层厚度为0.01～0.06mm(例如，0.04mm)；
步骤D：根据蜂窝夹层件模型数据采用激光选区熔化粉末层中与蜂窝夹层件模型对应的部分，激光功率为320～400W(例如，350W)，扫描速度为780～850mm/s(例如，800mm/s)；
步骤E：重复步骤C～D，直至完成蜂窝夹层件的增材制造，获得蜂窝夹层件。
对于采用光固化增材制造方法制造蜂窝夹层件，蜂窝夹层件的材料为高分子材料，例如，PLA(Polylactic Acid，聚乳酸纤维)、ABS树脂(丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三种单体的三元共聚物)、PVA树脂(聚乙烯醇)或PA(Polyamide，聚酰胺)。
光固化增材制造方法包括如下步骤：
步骤a：生成蜂窝夹层件模型数据；
步骤b：提供一基板；
步骤c：在基板上涂覆浆料层，浆料层厚度为0.01～0.06mm(例如，0.03mm)；
步骤d：根据蜂窝夹层件模型数据采用光选区固化浆料层中与蜂窝夹层件模型对应的部分，激光功率为48～56W(例如，50W)；
步骤e：重复步骤c～d，直至完成蜂窝夹层件的增材制造，获得蜂窝夹层件。
为了保证增材制造过程中蜂窝夹层件的稳定性，减少蜂窝夹层件的缺陷，需要增材方向与蜂窝胞元的胞壁方向相接近，两者之间的夹角越小越好，夹角越小，增材制造过程中的成形稳定性更好，底层已经成形的截面能够对正在成形的截面进行更好地支撑，所获得的蜂窝夹层件的材料更加致密，缺陷较少，使得蜂窝夹层件的比刚度和比强度更高，示例性地，蜂窝胞元的胞壁与增材方向夹角小于或等于45°，例如，20～40°。
实施例一
本实施例提供了一种蜂窝夹层件及其增材制造方法，采用激光选区熔化增材制造方法制造蜂窝夹层件，所用材料为GH4099高温合金粉末，所用设备为西安铂力特增材技术股份有限公司生产的HX300激光选区熔化设备，具体步骤如下：
步骤A：生成蜂窝夹层件模型数据；
步骤B：提供一基板；
步骤C：在基板上铺设粉末层，粉末层厚度为0.04mm；
步骤D：根据蜂窝夹层件模型数据采用激光选区熔化粉末层中与蜂窝夹层件模型对应的部分，激光功率为350W，扫描速度为800mm/s；
步骤E：重复步骤C～D，直至完成蜂窝夹层件的增材制造，获得蜂窝夹层件。
该蜂窝夹层件的各项参数如下：
上述蜂窝夹层件中，蜂窝胞元为非等边六边形，蜂窝胞元的胞壁厚度为0.5mm，蒙皮的厚度为1.0mm；
每个蜂窝胞元中，第六胞壁分别与第一胞壁和第五胞壁的夹角以及第三胞壁分别与第二胞壁和第四胞壁的夹角均为135°；
蜂窝胞元的内切椭圆的短轴为30mm，长轴为45mm；
倾斜胞壁以及两个倾斜胞壁与一个竖直胞壁的连接处均开设漏料孔，漏料孔的直径为3mm。
实施例二
本实施例提供了一种蜂窝夹层件及其增材制造方法，采用光固化增材制造方法制造蜂窝夹层件，所用材料为ABS树脂，具体步骤如下：
步骤a：生成蜂窝夹层件模型数据；
步骤b：提供一基板；
步骤c：在基板上涂覆浆料层，浆料层厚度为0.03mm；
步骤d：根据蜂窝夹层件模型数据采用光选区固化浆料层中与蜂窝夹层件模型对应的部分，激光功率为50W；
步骤e：重复步骤c～d，直至完成蜂窝夹层件的增材制造，获得蜂窝夹层件。
该蜂窝夹层件的各项参数如下：
上述蜂窝夹层件中，蜂窝胞元为非等边六边形，蜂窝胞元的胞壁厚度为0.8mm，蒙皮的厚度为1.5mm；
每个蜂窝胞元中，第六胞壁分别与第一胞壁和第五胞壁的夹角以及第三胞壁分别与第二胞壁和第四胞壁的夹角均为150°；
倾斜胞壁以及两个倾斜胞壁与一个竖直胞壁的连接处均开设漏料孔，漏料孔的直径为5mm。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种蜂窝夹层件，其特征在于，包括多层平行布置的蒙皮以及位于相邻两层蒙皮之间的蜂窝件，所述蜂窝件包括多个紧密排列的蜂窝胞元，蜂窝胞元填充满相邻两层蒙皮之间的空间，蒙皮和蜂窝胞元构成封闭容腔，且相邻两个蜂窝胞元共用一个胞壁。
2.根据权利要求1所述的蜂窝夹层件，其特征在于，所述蜂窝夹层件采用增材制造方法制得。
3.根据权利要求2所述的蜂窝夹层件，其特征在于，所述蜂窝胞元的横截面的形状为非等胞壁六胞壁形，所述蜂窝胞元的横截面沿其中心点具有旋转对称性，沿蜂窝胞元的横截面的内切椭圆的长轴和短轴具有二重镜面对称性，且增材方向与长轴方向平行。
4.根据权利要求3所述的蜂窝夹层件，其特征在于，所述蜂窝胞元的内切椭圆的长轴与短轴比在1.1～1.5。
5.根据权利要求3所述的蜂窝夹层件，其特征在于，所述蜂窝胞元的竖直胞壁与与其相邻的倾斜胞壁的夹角为α，90°＜α＜180°。
6.根据权利要求1至5任一项所述的蜂窝夹层件，其特征在于，所述蜂窝胞元的倾斜胞壁和/或两个倾斜胞壁与一个竖直胞壁的连接处开设用于排出废料的漏料孔。
7.一种蜂窝夹层件的增材制造方法，其特征在于，用于制造权利要求1至6所述的蜂窝夹层件，采用激光选区熔化增材制造方法或光固化增材制造方法一体成形制造蒙皮和蜂窝件。
8.根据权利要求7所述的蜂窝夹层件的增材制造方法，其特征在于，所述激光选区熔化增材制造方法包括如下步骤：
步骤A：生成蜂窝夹层件模型数据；
步骤B：提供一基板；
步骤C：在基板上铺设粉末层；
步骤D：根据蜂窝夹层件模型数据采用激光选区熔化粉末层中与蜂窝夹层件模型对应的部分；
步骤E：重复步骤C～D，直至完成蜂窝夹层件的增材制造，获得蜂窝夹层件。
9.根据权利要求7所述的蜂窝夹层件的增材制造方法，其特征在于，所述光固化增材制造方法包括如下步骤：
步骤a：生成蜂窝夹层件模型数据；
步骤b：提供一基板；
步骤c：在基板上涂覆浆料层；
步骤d：根据蜂窝夹层件模型数据采用光选区固化浆料层中与蜂窝夹层件模型对应的部分；
步骤e：重复步骤c～d，直至完成蜂窝夹层件的增材制造，获得蜂窝夹层件。
10.根据权利要求7至9任一项所述的蜂窝夹层件的增材制造方法，其特征在于，所述蜂窝胞元的胞壁与增材方向夹角小于或等于45°。
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