CN112966353B - 一种金属不锈钢梯度蜂窝芯及其制造方法 - Google Patents

一种金属不锈钢梯度蜂窝芯及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属不锈钢梯度蜂窝芯及其制造方法，金属不锈钢梯度蜂窝芯，包括多个蜂窝胞元，蜂窝胞元内部中空，沿着x轴或y轴所在的平面截取金属不锈钢梯度蜂窝芯，所截取的截面上的多个蜂窝胞元的壁厚相等；沿z轴所在平面截取金属不锈钢梯度蜂窝芯，所得到的截面上的蜂窝壁厚沿z轴方向呈单向正梯度变化，用于降低蜂窝芯在受到冲击载荷时的初始峰值载荷且增加吸能能力。本发明采用单向正梯度设计或对称正梯度设计，并采用3D打印技术进行制造蜂窝芯，降低蜂窝芯在受到冲击载荷时的初始峰值载荷且增加吸能能力，从而提高了蜂窝芯的安全性。

Description

一种金属不锈钢梯度蜂窝芯及其制造方法
技术领域
本发明涉及蜂窝芯制造技术领域，具体涉及一种金属不锈钢梯度蜂窝芯及其制造方法。
背景技术
现有技术中，应用在吸能领域的蜂窝芯结构大多数都是传统六边形蜂窝，其材料为金属箔材，通过拉伸法、成型法制造而成，并且在面内以及面外方向上的壁厚均是一致的。该类蜂窝芯在受到冲击载荷的作用时，会产生较大的初始峰值载荷，而过高的初始峰值载荷极易造成蜂窝保护下的人或物的损害；除此之外，由于拉伸法和成型法存在的缺陷，会不可避免地导致制造出的传统蜂窝出现各类缺陷，比如：单个胞元形状偏差、各个胞元之间分离等，这些都会导致蜂窝的吸能能力大大降低。
现有技术中的梯度蜂窝基本上都是在面内方向上进行梯度设计，面内方向上各层蜂窝之间的壁厚逐渐变化。该类梯度蜂窝在各层连接处相对薄弱，在受到冲击载荷时容易破坏，从而造成吸能能力的下降，此外，该类蜂窝都是阶梯式蜂窝，并不能将梯度蜂窝的优势完全发挥出来。
少数梯度蜂窝是进行了面外方向上的梯度设计，使用VeroWhite等高分子材料进行制作，在面外方向上蜂窝各处的壁厚依次变化，均不相等。该类梯度蜂窝由于高分子材料的性能特点，使得其在受到冲击载荷时，更加容易发生脆性破坏并导致变形过程中的失稳，不仅使得蜂窝的吸能能力降低，也存在着风险隐患。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种金属不锈钢梯度蜂窝芯及其制造方法，采用单向正梯度设计或对称正梯度设计，并采用3D打印技术进行制造，降低蜂窝芯在受到冲击载荷时的初始峰值载荷且增加吸能能力，从而提高了蜂窝芯的安全性。
本发明采用的技术方案是：
一种金属不锈钢梯度蜂窝芯，包括多个蜂窝胞元，所述蜂窝胞元内部中空，沿着x轴或y轴所在的平面截取所述金属不锈钢梯度蜂窝芯，所截取的截面上的多个蜂窝胞元的壁厚相等；沿z轴所在平面截取所述金属不锈钢梯度蜂窝芯，所得到的截面上的蜂窝壁厚沿z轴方向呈单向正梯度变化，用于降低蜂窝芯在受到冲击载荷时的初始峰值载荷且增加吸能能力，所述金属不锈钢梯度蜂窝芯沿z轴方向上某处hx的壁厚t的计算公式为：t＝tmax-(tmax-tmin)·(hx/h)，
其中：tmin为所述金属不锈钢梯度蜂窝芯沿z轴方向上的最高点处的蜂窝壁厚，tmax为所述金属不锈钢梯度蜂窝芯沿z轴方向上的最低点处的蜂窝壁厚，h为所述金属不锈钢梯度蜂窝芯沿z轴方向上的最高点高度值。
优先地，沿z轴所在平面截取所述金属不锈钢梯度蜂窝芯，所得到的截面上的蜂窝壁厚沿z轴方向还呈对称正梯度变化，即所得到的截面上的蜂窝壁厚沿z轴中部呈轴对称，所述金属不锈钢梯度蜂窝芯沿z轴方向上某处hx的壁厚t的计算公式为：
当hx位于对称轴上部，t＝tmin+(tmax-tmin)·(hx/0.5h-1)；
当hx位于对称轴下部，t＝tmax-(tmax-tmin)·(hx/0.5h)。
优先地，同一蜂窝胞元内沿z轴方向上的壁厚平均值tavg为(tmax-tmin)/2，梯度值g的计算公式为g＝(tmax-tmin)/tavg，其中，所述梯度值g为非负数。
优先地，所述梯度值g＝0时，所述金属不锈钢梯度蜂窝芯沿z轴方向的壁厚处处相等，不存在梯度变化；所述梯度值g>0时，所述金属不锈钢梯度蜂窝芯沿z轴方向的壁厚存在梯度变化，且壁厚变化幅度与梯度值g呈正相关。
优先地，所述金属不锈钢梯度蜂窝芯采用316L不锈钢材质制成，316L不锈钢材料具有相当优异的强度和塑性，当其与蜂窝芯结构相结合时，会产生较好的组合搭配，使得该类蜂窝在受到冲击载荷时呈现出逐层坍塌、层层递进的变形模式，从而更加能达到缓冲的效果。
基于上述的金属不锈钢梯度蜂窝芯，本申请还提出了一种使用上述的金属不锈钢梯度蜂窝芯的制造方法，包括如下步骤：
S1.采用三维建模软件呈单向正梯度或对称正梯度设计出金属不锈钢梯度蜂窝芯的三维模型；
S2.将三维模型文件格式转换为.stl文件格式，将转换格式后的三维模型文件导入切片软件进行离散切片，得到对应的.slc格式；
S3.将.slc文件格式导入SLM设备当中并进行相关的工艺参数设定，采用3D打印技术中的选区激光融化技术SLM进行金属不锈钢梯度蜂窝芯的制造；
S4.SLM设备根据指令，利用激光进行逐层打印，直至整个蜂窝芯模型打印完毕；
S5.从SLM设备中取出蜂窝芯并进行超声波清理、喷砂操作。
优先地，所述工艺参数包括激光功率、扫描速度、光斑直径、扫描间距和层厚。
本发明的有益效果是：
1.采用3D打印技术避免了蜂窝胞元形状、尺寸等的大的制造偏差，同时打印出的蜂窝为一个整体，不需要后续的连接组合操作，不仅节省了材料，而且节约了时间成本；
2.相较于阶梯式蜂窝，蜂窝芯的连续梯度设计，能够进一步增加蜂窝芯在受到冲击载荷时的吸能能力；
3.蜂窝芯的单向梯度设计，能够大大降低蜂窝芯在受到冲击载荷时的初始峰值载荷，并且能更好的控制蜂窝芯在不同冲击载荷下的变形模式，从而提高了蜂窝芯的安全性；
4.蜂窝芯的对称正梯度设计，相较于单向整体度设计，能够进一步提升蜂窝的密实应变，从而提高其吸能能力。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的单向正梯度变化的蜂窝芯的沿z轴所在平面的截面示意图；
图2是本发明的单向正梯度变化的蜂窝芯的沿z轴所在平面的壁厚示意图；
图3是本发明的对称正梯度变化的蜂窝芯的沿z轴所在平面的截面示意图；
图4是本发明的对称正梯度变化的蜂窝芯的沿z轴所在平面的壁厚示意图。
具体实施方式
如图1-2所示，一种金属不锈钢梯度蜂窝芯，金属不锈钢梯度蜂窝芯采用316L不锈钢粉末制成，316L不锈钢粉末呈球形，粒度范围为15-50微米，316L不锈钢材料具有相当优异的强度和塑性，当其与蜂窝芯结构相结合时，会产生较好的组合搭配，使得该类蜂窝在受到冲击载荷时呈现出逐层坍塌、层层递进的变形模式，从而更加能达到缓冲的效果。金属不锈钢梯度蜂窝芯包括多个蜂窝胞元，蜂窝胞元内部中空，沿着x轴或y轴所在的平面截取金属不锈钢梯度蜂窝芯，所截取的截面上的多个蜂窝胞元的壁厚相等。沿z轴所在平面截取金属不锈钢梯度蜂窝芯，所得到的截面上的蜂窝壁厚沿z轴方向呈单向正梯度变化，用于降低蜂窝芯在受到冲击载荷时的初始峰值载荷且增加吸能能力。金属不锈钢梯度蜂窝芯沿z轴方向上某处hx的壁厚t的计算公式为：t＝tmax-(tmax-tmin)·(hx/h)，
其中：tmin为金属不锈钢梯度蜂窝芯沿z轴方向上的最高点处的蜂窝壁厚，tmax为金属不锈钢梯度蜂窝芯沿z轴方向上的最低点处的蜂窝壁厚，h为金属不锈钢梯度蜂窝芯沿z轴方向上的最高点高度值。
如图3-4所示，沿z轴所在平面截取金属不锈钢梯度蜂窝芯，所得到的截面上的蜂窝壁厚沿z轴方向还呈对称正梯度变化，即所得到的截面上的蜂窝壁厚沿z轴中部呈轴对称。金属不锈钢梯度蜂窝芯沿z轴方向上某处hx的壁厚t的计算公式为：
当hx位于对称轴上部，t＝tmin+(tmax-tmin)·(hx/0.5h-1)；
当hx位于对称轴下部，t＝tmax-(tmax-tmin)·(hx/0.5h)。
如图2和图4所示，同一蜂窝胞元内沿z轴方向上的壁厚平均值tavg为(tmax-tmin)/2，梯度值g的计算公式为g＝(tmax-tmin)/tavg，其中，梯度值g为非负数。梯度值g＝0时，金属不锈钢梯度蜂窝芯沿z轴方向的壁厚处处相等，不存在梯度变化；梯度值g>0时，金属不锈钢梯度蜂窝芯沿z轴方向的壁厚存在梯度变化，且壁厚变化幅度与梯度值g呈正相关。在上述两种结构的基础上，保持壁厚平均值tavg不变，通过改变tmax和tmin的值来实现梯度值g的变化，且通过提高梯度值g，能有效的进一步降低蜂窝在受到冲击载荷时的初始峰值载荷，能进一步提高蜂窝芯的安全性能。
基于上述的金属不锈钢梯度蜂窝芯，本申请还提出了一种使用上述的金属不锈钢梯度蜂窝芯的制造方法，包括如下步骤：
S1.采用三维建模软件呈单向正梯度或对称正梯度设计出金属不锈钢梯度蜂窝芯的三维模型；
S2.将三维模型文件格式转换为.stl文件格式，将转换格式后的三维模型文件导入切片软件进行离散切片，得到对应的.slc格式；
S3.将.slc文件格式导入SLM设备当中并进行相关的工艺参数设定，采用3D打印技术中的选区激光融化技术SLM进行金属不锈钢梯度蜂窝芯的制造，工艺参数包括激光功率、扫描速度、光斑直径、扫描间距和层厚，具体参数值如下表所示。
S4.SLM设备根据指令，利用激光进行逐层打印，直至整个蜂窝芯模型打印完毕；
S5.从SLM设备中取出蜂窝芯并进行超声波清理、喷砂操作。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种金属不锈钢梯度蜂窝芯，其特征在于：包括多个蜂窝胞元，所述蜂窝胞元内部中空，沿着x轴或y轴所在的平面截取所述金属不锈钢梯度蜂窝芯，所截取的截面上的多个蜂窝胞元的壁厚相等；沿z轴所在平面截取所述金属不锈钢梯度蜂窝芯，所得到的截面上的蜂窝壁厚沿z轴方向呈单向正梯度变化，用于降低蜂窝芯在受到冲击载荷时的初始峰值载荷且增加吸能能力，所述金属不锈钢梯度蜂窝芯沿z轴方向上某处hx的壁厚t的计算公式为：t＝tmax-(tmax-tmin)·(hx/h)，
其中：tmin为所述金属不锈钢梯度蜂窝芯沿z轴方向上的最高点处的蜂窝壁厚，tmax为所述金属不锈钢梯度蜂窝芯沿z轴方向上的最低点处的蜂窝壁厚，h为所述金属不锈钢梯度蜂窝芯沿z轴方向上的最高点高度值；
沿z轴所在平面截取所述金属不锈钢梯度蜂窝芯，所得到的截面上的蜂窝壁厚沿z轴方向还呈对称正梯度变化，即所得到的截面上的蜂窝壁厚沿z轴中部呈轴对称，所述金属不锈钢梯度蜂窝芯沿z轴方向上某处hx的壁厚t的计算公式为：
当hx位于对称轴上部，t＝tmin+(tmax-tmin)·(hx/0.5h-1)；
当hx位于对称轴下部，t＝tmax-(tmax-tmin)·(hx/0.5h)。
2.根据权利要求1所述的金属不锈钢梯度蜂窝芯，其特征在于：同一蜂窝胞元内沿z轴方向上的壁厚平均值tavg为(tmax-tmin)/2，梯度值g的计算公式为g＝(tmax-tmin)/tavg，其中，所述梯度值g为非负数。
3.根据权利要求2所述的金属不锈钢梯度蜂窝芯，其特征在于：所述梯度值g＝0时，所述金属不锈钢梯度蜂窝芯沿z轴方向的壁厚处处相等，不存在梯度变化；所述梯度值g>0时，所述金属不锈钢梯度蜂窝芯沿z轴方向的壁厚存在梯度变化，且壁厚变化幅度与梯度值g呈正相关。
4.根据权利要求3所述的金属不锈钢梯度蜂窝芯，其特征在于：所述金属不锈钢梯度蜂窝芯采用316L不锈钢材质制成。
5.一种使用如权利要求4所述的金属不锈钢梯度蜂窝芯的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.采用三维建模软件呈单向正梯度或对称正梯度设计出金属不锈钢梯度蜂窝芯的三维模型；
S2.将三维模型文件格式转换为.stl文件格式，将转换格式后的三维模型文件导入切片软件进行离散切片，得到对应的.slc格式；
S3.将.slc文件格式导入SLM设备当中并进行相关的工艺参数设定；
S4.SLM设备根据指令，利用激光进行逐层打印，直至整个蜂窝芯模型打印完毕；
S5.从SLM设备中取出蜂窝芯并进行超声波清理、喷砂操作。
6.根据权利要求5所述的金属不锈钢梯度蜂窝芯的制造方法，其特征在于：所述工艺参数包括激光功率、扫描速度、光斑直径、扫描间距和层厚。
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