CN114087520B - 一种变尺寸四面体单元点阵结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变尺寸四面体单元点阵结构及其制备方法，点阵结构包括空间排列的多个变尺寸四面体单元，变尺寸四面体单元由六个变截面棱边杆连接构成，任意相邻两个变尺寸四面体单元共用一个变截面棱边杆，其空间排列为多个变尺寸四面体单元的层叠堆积扩展，以形成垂直分布的多个点阵层，且相邻的点阵层之间相互连接。本发明提供的点阵结构具有结构稳定性强、力学性能好的优点，提供的制造方法可灵活设计点阵结构，其成本低。

Description

一种变尺寸四面体单元点阵结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及点阵结构技术领域，具体涉及一种变尺寸四面体单元点阵结构及其制备方法。

背景技术

点阵结构在轻质化上解决了减重的重大问题，但是由于其结构制造复杂，经过传统制造工艺难以实现，目前的生产选取材料为金属箔材，传统通过熔模铸造法、成型法或编制法制造而成，这种变形加工的方法往往会给工件带来较大的内应力，不利于组织和力学性能的均匀。目前大多数传统点阵的制造方法包括熔模铸造法、冲压成型法或者金属丝编织法等方法制造而成。其中点阵结构体的铸造工艺虽然实现了自动化生产，但由于液态金属注入路径曲折迂回，易造成铸造缺陷等，严重影响成型效果。此外这些方法制造的点阵结构往往需要利用粘接剂进行连接，或者进行焊接连接，这导致连接处相对薄弱；且传统制造点阵结构件方法由于技术特点限制，单元体的形状尺寸往往是固定不变的，更换成型件的尺寸形状需要消耗时间和经济成本更改相应的模具或加工工具，或由于加工方法限制甚至难以实现自由尺寸与外形，在尺寸设计上自由度受限，例如单元格的尺寸，和棱边的径向尺寸，都要考虑机加工加工尺寸的限制，难以实现自由的人为设计，并不能保证单元形状的准确性，及其容易出现形状和尺寸的偏差，这些缺陷都会使得结构件在受到外力时性能下降，甚至出现安全隐患；除此之外，由于制作会出现缺陷，导致材料的浪费。生产过程中会不可避免的带来制造缺陷，大都难以保证精度、难以控制孔隙率、难以获得形状复杂的工件等问题，造成力学性能的下降。这些方法制造的点阵结构往往需要利用粘接剂或者焊接连接，使得连接处成为薄弱区。

市面上应用的点阵结构大多数都是仿照晶体的布拉格点阵结构，如面心立方和体心立方结构，并且尺寸往往是固定不变的，这种设计不能够充分发挥这类格栅结构的力学性能优势；且传统加工方式加工点阵结构，其结构并没有将点阵类型相关结构的力学性能充分增强，如专利申请号“CN202010749263.8”公开了“用于形成点阵梯度多孔结构的结构单元和梯度多孔材料”，其解决现有点阵单元结构所形成的梯度多孔材料存在的强度较低或质量和弹性模量较大的技术问题，但其力学性能不足，整体点阵结构应对外界载荷能力差。

发明内容

为解决上述背景技术中提出的问题，本发明提供了一种变尺寸四面体单元点阵结构及其制备方法，其点阵结构具有结构稳定性强、力学性能好的优点，提供的制造方法可灵活设计点阵结构，其成本低。

本发明提供如下技术方案:

一方面，本发明提供了一种变尺寸四面体单元点阵结构，其特征在于，包括空间排列的多个变尺寸四面体单元，所述变尺寸四面体单元由六个变截面棱边杆连接构成，所述变截面棱边杆的杆径尺寸为连续渐变增大或减小，任意相邻两个变尺寸四面体单元共用一个变截面棱边杆，其空间排列为多个变尺寸四面体单元的层叠堆积扩展，以形成垂直分布的多个点阵层，且相邻的所述点阵层之间相互连接。

优选地，所述四面体单元为正四面体，六个变截面棱边杆的长度均相等，当四面体单元为正四面体，并设定变截面棱边杆的长度为a时，则所述变尺寸四面体单元的高为。

优选地，所述变截面棱边杆为对称正梯度棱边杆或对称负梯度棱边杆；

对称正梯度棱边杆为两端部径向尺寸最大、中间段径向尺寸最小且呈对称状态的棱边杆；对称负梯度棱边杆为两端部径向尺寸最小、中间段径向尺寸最大且呈对称状态的棱边杆。

优选地，所述变截面棱边杆的外侧具有光滑表面。

优选地，所述变截面棱边杆的杆径d满足下列范围：

；

其中，a为变截面棱边杆的长度。

另一方面，本发明提供了一种变尺寸四面体单元点阵结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：建立具有点阵结构的四面体单元的三维模型；

步骤二：对点阵结构进行切片处理，得到点阵结构切片数据；

步骤三：通过3D打印技术制备点阵结构，先准备金属粉末，调平打印基板，根据点阵结构切片数据，在打印基板上对金属粉末进行激光熔化，并逐层烧结制得点阵结构；

步骤四：清理点阵结构周边的金属粉末，从打印基板上切割取出点阵结构。

优选地，激光熔化的工艺参数为激光功率300W，激光扫描速度1600mm/s，扫描间距85μm，单次烧结金属粉末的层厚为35μm。

优选地，金属粉末为316L不锈钢粉末，打印基板为316L不锈钢板。

优选地，金属粉末的粒径分布范围为15～58μm，其平均粒径为37μm。

优选地，步骤四中，切割方式为电火花线切割。

本发明的有益效果为：

（1）：本发明使用3D打印技术制造点阵结构，能解决传统加工制造方式带来的各类制造缺陷，加工成任意形状尺寸的复杂点阵结构，设计的灵活性和自由度大大提升，并较少时间和经济成本的浪费；

（2）：本发明使用四面体结构单元点阵结构，相对于其他立方点阵结构，具有更高的结构稳定性；本发明中的点阵结构，其棱边的径向尺寸具有两种对称梯度设计：对称正梯度与对称负梯度，可灵活应用在不同的的受力场景，对薄弱区域的材料补强，能充分提升出点阵结构变形的抗力优势，可获得优异的抗冲击、抗压缩性能；在尺寸方面的高自由度设计，可以充分发挥点阵结构的优越性能；相较于尺寸不变的点阵结构，薄弱区域径向尺寸的加强或结构件整体相对高度的调整，能够进一步提升此类点阵结构在受到冲击载荷时的性能表现。

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。

图1为本发明点阵结构的结构示意图；

图2为本发明点阵结构在X-Y面的投影图；

图3为本发明对称正梯度棱边杆的结构示意图；

图4为本发明变尺寸四面体单元在Z方向受力的示意图；

图5为本发明对称负梯度棱边杆的结构示意图；

图6为本发明四面体单元实施方式之一的结构示意图；

图7为本发明四面体单元实施方式之二的结构示意图；

图8为本发明四面体单元实施方式之三的结构示意图；

图9为本发明四面体单元实施方式之四的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的实施例作详细说明。

实施例1：

请参阅图1与图2，本实施例提供了一种变尺寸四面体单元点阵结构，其特征在于，包括空间排列的多个变尺寸四面体单元，变尺寸四面体单元由六个变截面棱边杆连接构成，变截面棱边杆的杆径尺寸为连续渐变增大或减小，任意相邻两个变尺寸四面体单元共用一个变截面棱边杆，其空间排列为多个变尺寸四面体单元的层叠堆积扩展，以形成垂直分布的多个点阵层，且相邻的点阵层之间相互连接。

实施例2：

在上述实施例的基础上，四面体单元为正四面体，六个变截面棱边杆的长度均相等，当四面体单元为正四面体，并设定变截面棱边杆的长度为a时，则变尺寸四面体单元的高为。

请参阅图3与图4，变截面棱边杆为对称正梯度棱边杆或对称负梯度棱边杆，其对称正梯度棱边杆为两端部径向尺寸最大、中间段径向尺寸最小且呈对称状态的棱边杆；对称负梯度棱边杆为两端部径向尺寸最小、中间段径向尺寸最大且呈对称状态的棱边杆；这两种类型的棱边杆可应对不同受力条件下不同的变形情况，可通过对受力薄弱处的补充增强进行提高变形能力。

在一些实施方式中，变截面棱边杆的外侧具有光滑表面，棱边杆的杆径尺寸为连续渐变增大或减小，以形成对称正梯度棱边杆与对称负梯度棱边杆两种类型。

其中，为满足四面体单元以及构建组成的点阵结构的稳定性，变截面棱边杆的杆径d满足下列范围：

；

其中，a为变截面棱边杆的长度；

进一步的，变截面棱边杆的最小杆径dmin设置在为至/>之间，变截面棱边杆的最大杆径dmax设置在为/>至/>之间；本发明并不具体限定变截面棱边杆的长度a、四面体单元及点阵结构的尺寸。

实施例3：

在上述实施例的基础上，考虑单个四面体单元在单方向的受力，施加力为单向压应力，其受力情况如图5所示，垂直于受力方向的四面体单元的三条棱（底部三条棱）将主要受到拉应力作用发生拉伸变形，另外的三条棱（上部三条棱）将主要受到压应力作用发生压缩变形，其变形方式最终会造成点阵结构整体在平行于压力的方向上被压缩，垂直力的方向上膨胀变形。

在竖直方向，即平行于图示z轴方向的载荷作用下，点阵结构的失效模式主要是杆件的失稳，结构的应力主要集中在节点附近，六条棱均为正梯度类型的四面体单元结构对节点处进行补强，与同等质量的无梯度四面体单元点阵结构相比，节点处可免受应力集中的破坏；当外加力的方向是水平方向，即平行于图示X-Y面方向时，每条棱都很受到剪切力的作用，在力矩作用下弯曲，六条棱均为负梯度类型的四面体单元结构可抵抗力矩的弯曲作用；而上部为正梯度类型、下部为负梯度类型的四面体单元结构，因下部的负梯度类型可以抵抗沿棱的力矩，因此可以使整体结构抵抗在X-Y平面方向上的受力变形；同理，上部为负梯度类型、下部为正梯度类型的四面体单元结构主要可以抵抗z方向的变形。

四面体单元可按照点阵结构的周期性排列方式进行组合，可得到四种不同类型的点阵结构，请参阅图5-图8，图示了四种变径向尺寸的四面体单元，图5为6个对称正梯度棱边杆构成的四面体单元，图6为俯视状态下的上端3个对称负梯度棱边杆、下端3个对称正梯度棱边杆构成的四面体单元，图7为俯视状态下的上端3个对称正梯度棱边杆、下端3个对称负梯度棱边杆构成的四面体单元，图8为6个对称负梯度棱边杆构成的四面体单元，以适应不同的外加载荷力，可大幅提升原本均一径向尺寸点阵结构的力学性能表现。

实施例5：

本发明提供了一种变尺寸四面体单元点阵结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：建立具有点阵结构的四面体单元的三维模型；

可具体通过制图软件并根据实际点阵结构进行设计建立三维模型，

步骤二：对点阵结构进行切片处理，得到点阵结构切片数据；可通过3D打印专用切片软件将三维模型进行切片处理，输出相应的的stl格式的文件；

步骤三：通过3D打印技术制备点阵结构，先准备金属粉末，调平打印基板，根据点阵结构切片数据，在打印基板上对金属粉末进行激光熔化，并逐层烧结制得点阵结构；其金属粉末为316L不锈钢粉末，打印基板为316L不锈钢板，备粉阶段，需对金属粉末进行干燥筛选，通过200目网筛除掉尺寸较大的金属颗粒，选取金属粉末的粒径分布范围为15～58μm，其平均粒径为37μm；打印阶段，将stl文件格式导入SLM打印机中，配置相关的工艺参数，可利用高纯氮气作为保护气，开启保护气装置，使得工件成型过程中成型舱内的氧含量一直维持在400ppm以下，其后开启激光器，SLM打印设备利用激光进行逐层打印，直至整个点阵模型打印完毕；打印过程中，金属粉末被逐层铺展在打印基板上，激光束按照模型轮廓尺寸选择性熔化相应位置的金属粉末，金属粉末熔化形成细小熔池，随激光束的远离液态金属又快速凝固，成型为实体点阵结构；

步骤四：清理点阵结构周边的金属粉末，从打印基板上切割取出点阵结构；点阵结构成型结束后，关闭激光器，开启SLM打印机的操作窗口，需等待成型舱中的氧含量与外界一致后，通过计算机操作平台将打印基板升高，并用细毛刷清除成型件上附着的金属粉末，待结构件周围粉末大体清除后，将成型件连同基板一起从成型箱内取出，用洗耳球、毛刷继续清理粉末，最后通过使用电火花线切割的方式，将基板与结构件分离，即可获得完整的点阵结构。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化与改进。

Claims (10)

1.一种变尺寸四面体单元点阵结构，其特征在于，包括空间排列的多个变尺寸四面体单元，所述变尺寸四面体单元由六个变截面棱边杆连接构成，所述变截面棱边杆的杆径尺寸为：两端部径向尺寸最大、中间段径向尺寸最小且呈对称状态，或者，两端部径向尺寸最小、中间段径向尺寸最大且呈对称状态，任意相邻两个变尺寸四面体单元共用一个变截面棱边杆，其空间排列为多个变尺寸四面体单元的层叠堆积扩展，以形成垂直分布的多个点阵层，且相邻的所述点阵层之间相互连接。

2.根据权利要求1所述的变尺寸四面体单元点阵结构，其特征在于：所述四面体单元为正四面体，六个变截面棱边杆的长度均相等。

3.根据权利要求1所述的变尺寸四面体单元点阵结构，其特征在于：所述变截面棱边杆为对称正梯度棱边杆或对称负梯度棱边杆；对称正梯度棱边杆为两端部径向尺寸最大、中间段径向尺寸最小且呈对称状态的棱边杆；对称负梯度棱边杆为两端部径向尺寸最小、中间段径向尺寸最大且呈对称状态的棱边杆。

4.根据权利要求1所述的变尺寸四面体单元点阵结构，其特征在于：所述变截面棱边杆的外侧具有光滑表面。

5.根据权利要求1-4任一项所述的变尺寸四面体单元点阵结构，其特征在于：所述变截面棱边杆的杆径d满足下列范围：

；

其中，a为变截面棱边杆的长度。

6.一种如权利要求1至5中任一项所述的变尺寸四面体单元点阵结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：建立具有点阵结构的四面体单元的三维模型；

步骤二：对点阵结构进行切片处理，对点阵结构进行切片处理，得到点阵结构切片数据；

步骤三：通过3D打印技术制备点阵结构，先准备金属粉末，调平打印基板，根据点阵结构切片数据，在打印基板上对金属粉末进行激光熔化，并逐层烧结制得点阵结构；

步骤四：清理点阵结构周边的金属粉末，从打印基板上切割取出点阵结构。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：激光熔化的工艺参数为激光功率300W，激光扫描速度1600mm/s，扫描间距85μm，单次烧结金属粉末的层厚为35μm。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：金属粉末为316L不锈钢粉末，打印基板为316L不锈钢板。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：金属粉末的粒径分布范围为15～58μm，其平均粒径为37μm。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤四中，切割方式为电火花线切割。