CN113878300B - 用于增材制造的多孔结构连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于增材制造的多孔结构连接方法，S1：将零部件分为若干个相连的区域，针对每个区域设置不同的多孔结构；S2：相邻的区域之间设计包络结构；S3：利用增材制造设备加工零部件，使得相邻区域之间通过包络结构过渡连接。本发明中，对于分区设计的结构中，同一个零部件上各个区域之间的材料体积分数、单元类型和材料具有差异，各差异区域之间通过相应的包络结构实现平滑过渡连接，提高了连接处的连接强度和刚度，实现个区域之间的低应力过渡，从而减少在轻量化设计中不同结构无法相互过渡的难题。

Description

用于增材制造的多孔结构连接方法

技术领域

本发明涉及零部件修复技术领域，特别涉及一种用于增材制造的多孔结构连接方法。

背景技术

多孔结构由于具有轻质高强、吸能散热和比表面积大的优点，从而在航空航天、医疗植入和汽车工业等领域有广阔的应用前景。同时，近年来得益于增材制造技术的迅速发展，让自由地加工各种各样内部具有多孔结构的零部件成为了可能。

然而，不同服役环境对多孔结构单元类型、体积分数和材料组分等有不同的要求，即使同一部件的不同部位也有差异。因此，为了满足使用要求并尽可能多节省材料，等强度轻量化分区设计的概念逐渐被提出，多孔结构的研究和应用得到了爆发。例如，在仿生骨结构设计中，为避免“应力屏蔽”，需要设计功能梯度的孔隙与孔隙率多孔结构，分别对应替换皮质骨与松质骨等部位。又如悬臂梁设计中，梁上各位置承受不同的内应力，若使用均匀的多孔结构进行多孔填充，则需要保证最大应力区域强度需求，这增大了整体结构的体积分数，浪费了材料。若对梁上应力分区处理，将不同应力区域使用对应满足强度的体积分数填充，则降低了整体结构的体积分数，实现更好的轻量化设计。

对于分区设计的结构中，各个分区之间的材料体积分数、单元类型和材料具有差异，若各分区之间的材料之间连接，其连接处质量较差，为整个结构的薄弱区域，最易发生破坏。

因此提出一种面向增材制造技术制备的多孔结构过渡方法至关重要。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种用于增材制造的多孔结构连接方法，实现不同多孔结构之间、内填充多孔结构与外壳体之间协同低应力过渡，从而减少在轻量化设计中不同结构无法相互过渡的难题。

本发明的用于增材制造的多孔结构连接方法，S1：将零部件分为若干个相连的区域，针对每个区域设置不同的多孔结构；

S2：相邻的区域之间设计包络结构；

S3：利用增材制造设备加工零部件，使得相邻区域之间通过包络结构过渡连接。

进一步，步骤S2中，所述包络结构包括包络球、包络圆锥体、包络椭圆锥、包络圆柱体、包络椭圆柱或包络台。

进一步，相邻区域基于直杆状结构或者基于TPMS骨架结构时，相邻区域之间的包络结构采用包络球、包络圆锥体或包络椭圆锥。

进一步，相邻区域中至少一个区域基于TPMS片状结构时，相邻区域之间的包络结构采用包络椭圆柱或者包络椭圆锥。

进一步，相邻区域基于直杆状结构或者基于TPMS骨架结构时，各区域的直杆半径分别为R1和R2，单元尺寸的短边尺寸D，当R1:R2<1.5且R1/D<0.2和R2/D<0.2时，包络结构选用包络球。

进一步，相邻区域中至少一个区域基于TPMS片状结构时，或者相邻区域均基于直杆状结构时且R1/R2>1.5时，包络结构选用包络椭圆柱或包络椭圆锥。

进一步，所选用的包络球半径r范围为1.4×MAX(R1,R2)＞r≥0.9×MAX(R1,R2)。

进一步，所选用的包络椭圆柱或包络椭圆锥的高度h＜0.5D。

本发明的有益效果：

本发明中将零部件分区，对于分区设计的结构中，同一个零部件上各个区域之间的材料体积分数、单元类型和材料具有差异，各差异区域之间通过相应的包络结构实现平滑过渡连接，提高了连接处的连接强度和刚度，实现个区域之间的低应力过渡，从而减少在轻量化设计中不同结构无法相互过渡的难题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明实施例1结构示意图；

图2为本发明实施例2结构示意图；

具体实施方式

如图所示：本实施例的用于增材制造的多孔结构连接方法，包括以下步骤：

S1：将零部件分为若干个相连的区域，针对每个区域设置不同的多孔结构；不同的多孔结构指的是不同的材料、不同的体积分数或不同的孔形等因素，或者是以上若干个因素的组合；划分区域时分为几个相连的区域，区域划分可参考零件服役状态下对结构承载强度、渗透性、比表面积和能量吸收性能的要求进行，并且参考各个区域的吸能要求，针对性的对每个区域单独设计不同的多孔结构；需要注意的是，在该环节，对多孔结构的种类不做任何限制，可以是不同体积分数的均匀结构或梯度结构之间相互过渡，也可以是不同种类、不同模型之间的直接过渡。

S2：相邻的区域之间设计包络结构；

包络结构为连接于相邻区域之间的多个独立模块，包络结构不能对多孔结构孔隙形状和尺寸有太大影响，以免影响其流动性；而且包络结构的设计要符合增材制造工艺的加工，以不需要支撑为基本原则；同时要注意包络结构的尺寸设计要与两区域多孔结构断面处较大结构的尺寸匹配。

S3：利用增材制造设备加工零部件，使得相邻区域之间通过包络结构过渡连接。设计包络结构后，在Magics等三维软件中将不同的多孔结构拼接到一起，并在所有相邻结构端面过渡处添加包络模型，通过布尔运算、阵列、缩放、平移和旋转等命令，让不同结构之间均匀稳定过渡。此外，当遇到多孔结构作为壳状零件内部填充或多孔结构直接与零件表面接触的工况时，除了零件内部不同种类、不同体积分数的结构之间添加包络外，在多孔结构外缘与零件表面接触的地方也应该添加包络模型。

需注意的是，两种结构在拼接时，在两模型之间可以预留合适的孔隙，因为较大的孔隙会导致轻量化程度更高，而且在遇到两个片状单元断面尺寸相差较大时，孔隙可避免它们的相互直接接触，减少应力。

增材制造设备俗称3D打印设备，该设备为现有技术，此处不再赘述；通过增材制造设备一体成型各区域以及相邻区域之间的包络结构，实现特定零部件的轻量化和高功能性制备。

本实施例中，步骤S2中，所述包络结构包括包络球、包络圆锥体、包络椭圆锥、包络圆柱体、包络椭圆柱或包络台。

不同的包络结构对应于不同的多孔结构，当相邻区域邻接面处的结构尺寸相差不大时，此时通过包络球、包络圆柱体或包络椭圆柱实现连接，当相邻区域邻接面处的结构尺寸相差较大时，为避免悬垂面增大，此时采用包络圆锥体或包络椭圆锥实现连接，通过不同的多孔结构选择适应的包络体，以达到良好的过渡连接结构。

本实施例中，相邻区域基于直杆状结构或者基于TPMS骨架结构时，相邻区域之间的包络结构采用包络球、包络圆锥体或包络椭圆锥。基于CAD模型设计的直杆状结构，例如BCC结构、FCC结构、金刚石结构、菱形十二面体结构和Octa结构以及他们的衍生结构，当它们直杆径相差不大时，最优采用包络球来过渡，也可以选用包络圆柱体或包络椭圆柱；直杆径相差较大时，若采用包络球设计则要求包络球的半径较大，此结构导致悬垂面增加从而会增大加工失败的风险，而且由于包络球尺寸较大，会对相邻区域内部孔隙产生严重影响，故此时应采用包络圆锥或包络椭圆锥。对于近年来被广泛使用的TPMS骨架结构来说，例如D结构、G结构和P结构等，因为骨架的存在，导致直杆半径较大，承载强度较大，故前述的包络模型均可采用；

本实施例中，相邻区域中至少一个区域基于TPMS片状结构时，相邻区域之间的包络结构采用包络椭圆柱或者包络椭圆锥。片状薄壁单元的存在决定了包络椭圆柱和包络椭圆锥是最理想的模型，为了减少应力，实现不同结构的稳定过渡；

本实施例中，相邻区域基于直杆状结构或者基于TPMS骨架结构时，各区域的直杆半径分别为R1和R2，单元尺寸的短边尺寸D，当R1:R2<1.5且R1/D<0.2和R2/D<0.2时，包络结构选用包络球；所选用的包络球半径r范围为1.4×MAX(R1,R2)＞r≥0.9×MAX(R1,R2)。

本实施例中，相邻区域中至少一个区域基于TPMS片状结构时，或者相邻区域均基于直杆状结构时且R1/R2>1.5时，包络结构选用包络椭圆柱或包络椭圆锥；所选用的包络椭圆柱或包络椭圆锥的高度h＜0.5D。

单元尺寸为晶胞单元的长宽高，当晶胞单元为正方体时，D对应的是晶胞单元的边长，当晶胞单元为长方体时，D对应的是晶胞单元的短边尺寸；通过对不同工况下的包络结构限定以及对包络尺寸的限定，使得包络结构与两相邻区域之间的结构匹配度更高，减少应力，实现不同结构的稳定平滑过渡。

结合图1所示，该案例以常见的TPMS结构中的G骨架结构为例，展示了两种同体积分数的G结构如何实现均匀过渡；该结构分别使用包络椭圆柱和包络椭圆锥为包络模型的两种方案，其中包络椭圆柱会有较大的悬垂面，在针对体积分数差别大时使用；包络椭圆锥几乎没有多余面，实现了省材料的紧凑型包络；

图1中状态A为两种材料直接连接的结构，其中位于左侧材料模型的体积分数为40％，孔隙较小，端面较大，位于右侧的材料体积分数为20％，孔隙较大，端面较小。两种结构首先通过G曲面的数学函数计算出体积分数与密度影响因子的关系，然后通过Matlab软件或者犀牛软件生成由G函数坐标组层的曲面STL模型，最后在Magics软件中搭桥补面生成。

图1中可以看出直接拼接时两结构端面表面积差别较大，经过计算，其中体积分数较大的点阵G结构断面较长直杆半径为1.01mm、较短直杆半径为0.92mm；体积分数较小的，点阵G结构断面的较长直杆直杆为1.3mm，较短直杆半径为1.15mm。故设计的椭圆柱长径2.69mm，短径1.45mm，通过包络椭圆柱连接相邻区域后形成了状态B的结构；椭圆锥长径2.19mm，短径1.70mm，通过包络椭圆锥连接相邻区域后形成了状态C的结构；进一步在Magics中进行平移、旋转和阵列等命令，使得包络结构连接于两个区域之间，得到最终过渡模型。

结合图2所示，围绕4种经典的杆状结构之间的均匀过渡展开；在四个区域之间分别设计了3种包络结构，该结构连接过程与图1中对应的方法类似，此处不再赘述。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种用于增材制造的多孔结构连接方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：将零部件分为若干个相连的区域，针对每个区域设置不同的多孔结构；

S2：相邻的区域之间设计包络结构；

S3：利用增材制造设备加工零部件，使得相邻区域之间通过包络结构过渡连接；

相邻区域基于直杆状结构或者基于TPMS骨架结构时，各区域的直杆半径分别为R1和R2，单元尺寸的短边尺寸D，当R1:R2<1.5且R1/D<0.2和R2/D<0.2时，包络结构选用包络球。

2.根据权利要求1所述的用于增材制造的多孔结构连接方法，其特征在于：相邻区域中至少一个区域基于TPMS片状结构时，相邻区域之间的包络结构采用包络椭圆柱或者包络椭圆锥。

3.根据权利要求1所述的用于增材制造的多孔结构连接方法，其特征在于：相邻区域中至少一个区域基于TPMS片状结构时，或者相邻区域均基于直杆状结构时且R1/R2>1.5时，包络结构选用包络椭圆柱或包络椭圆锥。

4.根据权利要求1所述的用于增材制造的多孔结构连接方法，其特征在于：所选用的包络球半径r范围为1.4×MAX(R1,R2)＞r≥0.9×MAX(R1,R2)。

5.根据权利要求3所述的用于增材制造的多孔结构连接方法，其特征在于：所选用的包络椭圆柱或包络椭圆锥的高度h＜0.5D。

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