CN114407367A - 梯度变化连续可控的泡沫材料的增材制造方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种梯度变化连续可控的泡沫材料的增材制造方法及其系统，其中所述增材制造方法包括：获取梯度泡沫材料的尺寸数据；设置梯度泡沫材料的胞元尺寸的梯度分布构型；根据所述梯度分布构型、以及所述梯度泡沫材料的尺寸数据生成多个胞元核心点的坐标，其中新生成的胞元核心点的位置与已有的胞元核心点的位置相关；根据所述多个胞元核心点的坐标建立具有细观胞元结构的轴向梯度泡沫材料的几何模型，其中每个胞元均具有十四面体结构；根据轴向梯度泡沫材料的几何模型进行增材制造。通过本发明能够制备梯度变化既连续又可控的泡沫材料。
Description
技术领域
本发明涉及泡沫材料和增材制造技术领域，尤其涉及一种梯度变化连续可控的泡沫材料的增材制造方法及其系统。
背景技术
泡沫材料作为吸能材料的典型代表，具有轻质、高比刚度、高比强度的特点，因此广泛应用于缓冲吸能、冲击防护领域，在航空航天、轨道交通、土木建筑、石油化工等行业备受青睐。在冲击防护的历程中，泡沫材料一方面可以降低冲击力的峰值载荷，使其降低至人体耐受极限以内，另一方面可以通过自身的大塑性变形延长冲击的作用时间，使载荷脉宽变长，降低冲量。然而实际的应用场景呈现复杂多变的加载条件，单一均质的泡沫材料难以满足特定的冲击防护需求。例如，在高速冲击下，均质泡沫材料遭受冲击的冲击端受到惯性效应的作用，其应力明显高于远离冲击的支撑端应力，二者的差值与冲击速度密切相关。
为了满足人为调控的需求，梯度泡沫材料应运而生，它可以针对性地调节冲击端和支撑端地应力水平，相较于均质泡沫，不仅可调节性强，而且由于梯度构型的泡沫材料变形更彻底，在能量吸收上也呈现一定优势。
综上所述，目前尚无法制备梯度变化既连续又可控的泡沫材料。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种梯度变化连续可控的泡沫材料的增材制造方法及其系统，以解决现有无法制备梯度变化既连续又可控的泡沫材料的问题。
根据本发明实施例提出一种梯度变化连续可控的泡沫材料的增材制造方法，其包括：获取梯度泡沫材料的尺寸数据；设置梯度泡沫材料的胞元尺寸的梯度分布构型；根据所述梯度分布构型、以及所述梯度泡沫材料的尺寸数据生成多个胞元核心点的坐标，其中新生成的胞元核心点的位置与已有的胞元核心点的位置相关；根据所述多个胞元核心点的坐标建立具有细观胞元结构的轴向梯度泡沫材料的几何模型，其中每个胞元均具有十四面体结构；根据轴向梯度泡沫材料的几何模型进行增材制造。
其中，所述梯度分布构型包括以下类型的梯度函数：单调线性梯度函数、单调非线性梯度函数、非单调线性梯度函数、非单调非线性梯度函数。
其中，根据以下参数计算所述梯度泡沫材料的胞元尺寸：梯度泡沫材料的胞元所对应的高度数值、梯度泡沫材料的高度数值、梯度率。
其中，所述生成多个胞元核心点的坐标，包括：根据所述梯度泡沫材料的尺寸数据构建三维有限体积单元，在该三维有限体积单元中置入数量为N的胞元核心点，其中新生成的胞元核心点需符合以下规则：新胞元核心点和已有胞元核心点的距离大于给定距离；该给定距离小于任意两个胞元核心点的距离；该给定距离与任意两个相邻胞元核心点的距离的比值为预设值。
其中，该给定距离与任意两个相邻胞元核心点的距离的比值为0.8。
其中，所述根据所述多个胞元核心点的坐标建立具有细观胞元结构的轴向梯度泡沫材料的几何模型，包括：根据所述多个胞元核心点的坐标向外扩张形成具有细观胞元构型的梯度泡沫材料的片体模型，包括：所述多个胞元核心点分别以自身为中心并以相同的速度向外扩张，当以每个胞元核心点为中心的十四面体胞元接触到其周围的十四面体胞元时，扩张过程结束；将所述梯度泡沫材料的片体几何模型转变为实体几何模型。
其中，所述将所述梯度泡沫材料的片体几何模型转变为实体几何模型，包括：将所述梯度泡沫材料的片体几何模型的多个胞壁平面沿其法线的正方向和反方向各平移预定距离，并将平移后的两个平行的面的对应节点相连，使其组成多边形棱柱。
其中，在建立梯度泡沫材料的几何模型之后，所述方法还包括：计算所述胞元核心点与该胞元的多个胞壁节点的距离的平均值，作为该胞元的胞元尺寸；将该胞元的胞元尺寸分布与所述胞元尺寸梯度函数分布进行对比，判断实际模型的胞元尺寸分布是否符合预先设计的梯度函数分布。
其中，所述方法还包括：对所述实体几何模型进行切片处理。
根据本发明实施例还提出一种梯度变化连续可控的泡沫材料的增材制造系统，其包括：数据获取模块，用于获取梯度泡沫材料的尺寸数据；梯度分布构型设置模块，用于设置所述梯度泡沫材料的胞元尺寸的梯度分布构型；胞元核心点生成模块，用于根据所述梯度分布构型、以及所述梯度泡沫材料的尺寸数据生成多个胞元核心点的坐标，其中新生成的胞元核心点的位置与已有的胞元核心点的位置相关；几何模型建立模块，用于根据所述多个胞元核心点的坐标建立具有细观胞元结构的轴向梯度泡沫材料的几何模型，其中每个胞元均具有十四面体结构；增材制造模块，用于根据所述梯度泡沫材料的几何模型进行增材制造。
根据本发明的技术方案，具有以下效果至少之一：
(1)通过预先设置梯度函数，制备出的梯度泡沫材料的梯度构型分布满足预先设计的梯度函数，从而可以定量化地验证已有的关于梯度泡沫材料的相关理论模型。
(2)所制备的梯度泡沫材料的胞元尺寸按照预先设计的梯度函数实现连续变化，从而实现密度梯度分布的连续变化，即不存在明显的间断面。
(3)最终制备试样的几何构型与预先设计试样的几何构型一致，可利用预先设计的试样的几何文件进行有限元素法仿真计算，用最终制备的试样进行实验测试，从而实验结果和有限元素法仿真结果可以有效对比，随后利用有限元素法仿真分析突破实验条件的限制，例如冲击工况、加载速度、外在环境场等，研究当前实验条件无法满足的情况。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的梯度变化连续可控的泡沫材料的增材制造方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的预先设计的胞元尺寸梯度函数分布图，其中图2(a)对应单调线性梯度函数，图2(b)对应单调非线性梯度函数，图2(c)对应非单调线性梯度函数，图2(d)对应非单调非线性梯度函数；
图3是根据本发明实施例的按照预先设计的胞元尺寸梯度函数生成的胞元核心点的分布图，其中图3(a)对应单调线性梯度函数，图3(b)对应单调非线性梯度函数，图3(c)对应非单调线性梯度函数，图3(d)对应非单调非线性梯度函数；
图4是根据本发明实施例的按照预先设计的胞元尺寸梯度函数生成的片体几何模型图，其中图4(a)对应单调线性梯度函数，图4(b)对应单调非线性梯度函数，图4(c)对应非单调线性梯度函数，图4(d)对应非单调非线性梯度函数；
图5是根据本发明实施例的预先设计的胞元尺寸梯度函数分布与实际模型的胞元尺寸分布的对比图，其中图5(a)对应单调线性梯度函数，图5(b)对应单调非线性梯度函数，图5(c)对应非单调线性梯度函数，图5(d)对应非单调非线性梯度函数；
图6是根据本发明实施例的按照预先设计的胞元尺寸梯度函数生成的实体几何模型图，其中图6(a)对应单调线性梯度函数，图6(b)对应单调非线性梯度函数，图6(c)对应非单调线性梯度函数，图6(d)对应非单调非线性梯度函数；
图7是根据本发明实施例的经过切片后的梯度泡沫材料的实体几何模型图，其中图7(a)对应单调线性梯度函数，图7(b)对应单调非线性梯度函数，图7(c)对应非单调线性梯度函数，图7(d)对应非单调非线性梯度函数；
图8是根据本发明实施例的梯度变化连续可控的泡沫材料的试样图，其中图8(a)对应单调线性梯度函数，图8(b)对应单调非线性梯度函数，图8(c)对应非单调线性梯度函数，图8(d)对应非单调非线性梯度函数；
图9是根据本发明实施例的梯度变化连续可控的泡沫材料的增材制造系统的结构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
目前制备梯度泡沫的方法主要有两种，第一种是赋予梯度的制备环境条件，使泡沫材料的孔洞沿一定方向呈现梯度变化；另一种是通过粘接不同密度的均质泡沫组成的层状梯度泡沫。但是现有的制备梯度泡沫技术存在一定的局限性，无法按照预先设计的梯度构型制备梯度泡沫材料，或者实际试样的梯度分布并不连续，明显的间断面将会对其力学性能造成影响，且制备方法繁琐，理论上想实现连续的梯度变化，需要粘接无数层不同密度的均质泡沫，在实际制备中并不可行。
根据本发明实施例提供了一种梯度变化连续可控的泡沫材料的增材制造方法，参考图1，所述方法包括：
步骤S102，获取梯度泡沫材料的尺寸数据。
步骤S104，设置梯度泡沫材料的胞元尺寸的梯度分布构型，其中所述梯度分布构型包括以下类型的梯度函数：单调线性梯度函数、单调非线性梯度函数、非单调线性梯度函数、非单调非线性梯度函数。
步骤S106，根据所述梯度分布构型、以及所述梯度泡沫材料的尺寸数据生成多个胞元核心点的坐标，其中新生成的胞元核心点的位置与已有的胞元核心点的位置相关。
其中，在三维有限体积单元中置入数量为N的胞元核心点时，需符合以下规则：新核心点和已有核心点的距离大于给定距离；该给定距离小于任意两个胞元核心点的距离；该给定距离与任意两个相邻胞元核心点的距离的比值为预设值。
步骤S108，根据所述多个胞元核心点的坐标建立具有细观胞元结构的轴向梯度泡沫材料的几何模型，其中每个胞元均具有十四面体结构。
具体地，首先根据多个胞元核心点的坐标向外扩张形成具有细观胞元构型的梯度泡沫材料的片体模型，然后再将梯度泡沫材料的片体几何模型转变为实体几何模型。
步骤S110，根据所述梯度泡沫材料的几何模型进行增材制造。
下面结合附图详细上述各处理的细节。
步骤1：设计梯度泡沫材料的尺寸大小，在本发明实施例中设置为直径30mm、高度60mm的圆柱体。按照实际工程应用的需求，设置梯度函数，即预先设计胞元尺寸的梯度分布构型，在本发明实施例中的梯度函数涉及单调线性梯度与单调非线性梯度，这两类梯度函数可以用公式(1)进行表示：
公式(1)中，h表示梯度泡沫材料中某一胞元所对应的高度数值，为梯度函数的自变量；
S(h)表示梯度泡沫材料的胞元尺寸，为自变量h的函数；
S0表示梯度泡沫材料中，
时对应的胞元尺寸；
S1表示梯度泡沫材料中，
时对应的胞元尺寸；
H为梯度泡沫试样的高度。
在本发明实施例中H设置为60mm；m为梯度率指数，反映胞元尺寸梯度变化的幅度，当数值为1时，代表线性梯度变化，当数值不为1时，代表非线性梯度变化，即通过公式(1)中赋予不同数值的m，可以获得单调线性梯度与单调非线性梯度两类梯度函数，
在本发明实施例中，单调线性梯度对应的S0为5mm，S1为10mm，m为1；单调非线性梯度对应的S0为5mm，S1为10mm，m为4。
除了以上两类单调变化的梯度函数之外，本发明实施例也涉及非单调线性梯度与非单调非线性梯度。这两类梯度函数可以用公式(2)进行表示：
公式(2)中的h、S(h)、S0、S1、H的定义与公式(1)相同，不再赘述。不同之处在于，公式(2)中的Sx为梯度泡沫材料中，h/H＝X时对应胞元的胞元尺寸；公式(2)中的m1对应梯度泡沫材料一部分的梯度率指数，即h满足条件
0≤X≤1时；m2对应梯度泡沫材料另一部分的梯度率指数，即h满足条件
时，m1和m2取值可以存在差异。此外，如公式(2)的分段函数所示，本发明实施例中涉及的分段方法是将梯度泡沫材料分为两段，并分别赋予梯度率指数，实际上考虑到梯度泡沫材料极强的可设计性，可以对梯度泡沫材料进行任意分段，并且每段赋予不同的梯度率指数，考虑到分段方法相近，在此不再赘述。在本发明实施例中，非单调线性梯度对应的S0为5mm，Sx为10mm，S1为5mm，X为0.5，m1为1，m2为1；非单调非线性梯度对应的S0为5mm，Sx为10mm，S1为5mm，X为0.5，m1为0.1，m2为10。图2a-2d示出了本发明实施例中涉及的预先设置的胞元尺寸梯度函数分布图。
步骤2：按照步骤1设计的梯度函数分布，使用Voronoi分布算法生成胞元核心点的坐标。具体的流程为：
第一步，根据梯度泡沫材料的尺寸在一个三维空间内构建有限体积单元，其体积为V0，并且在其中置入数量为N的胞元核心点。如果N个胞元核心点完全规则排布于体积V0之中，则可以得到一个完全规则的正十四面体模型，此时任意两个相邻胞元核心点的距离均相等，为
第二步，为了构建一个随机泡沫，则胞元核心点不能完全规则排布于三维空间内，将要插入的新核心点和空间内已有核心点的距离大于给定的最小距离δ时，才被允许插入。而最小距离δ必须不大于d0，否则无法在体积V0中置入N个核心点。二者比值
被定义为规则度，反映Voronoi分布算法生成的Voronoi泡沫胞元尺寸的分散性，即规则度越高，所生成的随机泡沫的胞元尺寸越接近规则泡沫的胞元尺寸。R的取值在0到1之间，即R越靠近0说明生成的胞元尺寸与预设的胞元尺寸偏差越大，越靠近1说明生成的胞元尺寸与预设的胞元尺寸偏差越小，但是越靠近1的模型越难生成，因为此时满足条件的情况越少，因此，需要选取一个比较靠近1，但同时兼顾高的建模效率的数值。在本发明实施例中，规则度均被设置为0.8，从而使最终生成的试样满足预先设计的构型。
第三步，核心点置入的过程持续进行直至N个核心点均被插入V0空间为止。按照预先设计的胞元尺寸梯度函数，生成的胞元核心点的分布如图3a-3d所示。
步骤3：Voronoi分布算法生成核心点结束之后，所有的核心点以相同的速率向外扩张，当以每个核心点为中心的十四面体胞元接触到周围的临近胞元时，扩张过程结束，最终形成了具有多个胞元构型的泡沫材料，按照预先设置的胞元尺寸梯度函数，所生成的几何模型图如图4a-4d所示。此时生成的几何模型均为片体模型，即所有胞元的胞壁均为平面，缺乏厚度信息。
通过计算胞元核心点与该胞元所有胞壁节点的距离的平均值，作为该胞元的胞元尺寸，统计梯度泡沫材料的几何模型的胞元尺寸分布，通过对比预先设计的胞元尺寸梯度函数分布与基于实际模型统计出的胞元尺寸分布，可以判断实际模型的胞元尺寸分布基本符合预先设计的梯度函数分布，如图5a-5d所示。如果不符合，则需要重新建立几何模型。
步骤4：为了使模型可以满足增材制造制备要求，需要将图4a-4d中的片体模型赋予一定的胞壁厚度，即从片体转变为实体。具体地，令所有胞壁平面沿着其法线的正方向和反方向各平移一定距离，在本发明的实施例中，该距离设置为0.2mm，即令所有面拥有0.4mm的壁厚，并将平移后的两个平行的面的对应节点相连，使其组成多边形棱柱，从而使所有片体转换为实体，即建立了具有细观胞元结构的轴向梯度泡沫材料的几何模型，如图6a-6d所示。
步骤5：将如图6a-6d所示的实体几何模型导出为stl格式的文件，导入增材制造设备的切片处理软件之中，对实体模型进行切片处理，处理结果如图7a-7d所示。本发明实施例中的切片参数如下：切片层高为0.1mm；模型壁之间最大允许重叠百分比为50％；填充方式为长方形填充。
步骤6：将如图7a-7d所示的切片后的实体几何模型导出为gcode格式的文件，导入增材制造设备，该设备以熔丝制造技术为基础进行增材制造，制造出的梯度泡沫材料的试样如图8a-8d所示，所制备的试样均为梯度变化连续可控的泡沫材料。本发明实施例中的增材制造参数如下：喷头尺寸为0.4mm；喷头挤出温度为220℃；底板温度为30℃；制造填充率为100％；平均制造速度为30mm/s。
根据本申请实施例还提供一种梯度变化连续可控的泡沫材料的增材制造系统，参考图9，所述系统包括：
数据获取模块91，用于获取梯度泡沫材料的尺寸数据；
梯度分布构型设置模块92，用于设置所述梯度泡沫材料的胞元尺寸的梯度分布构型，其中所述梯度分布构型包括以下类型的梯度函数：单调线性梯度函数、单调非线性梯度函数、非单调线性梯度函数、非单调非线性梯度函数。
胞元核心点生成模块93，用于根据所述梯度分布构型、以及所述梯度泡沫材料的尺寸数据生成多个胞元核心点的坐标，其中新生成的胞元核心点的位置与已有的胞元核心点的位置相关；
几何模型建立模块94，用于根据所述多个胞元核心点的坐标建立具有细观胞元结构的轴向梯度泡沫材料的几何模型，其中每个胞元均具有十四面体结构；
增材制造模块95，用于根据所述梯度泡沫材料的几何模型进行增材制造。
本发明的方法的操作步骤与系统的结构特征对应，可以相互参照，不再一一赘述。
本领域技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种梯度变化连续可控的泡沫材料的增材制造方法，其特征在于，包括：
获取梯度泡沫材料的尺寸数据；
设置梯度泡沫材料的胞元尺寸的梯度分布构型；
根据所述梯度分布构型、以及所述梯度泡沫材料的尺寸数据生成多个胞元核心点的坐标，其中新生成的胞元核心点的位置与已有的胞元核心点的位置相关；
根据所述多个胞元核心点的坐标建立具有细观胞元结构的轴向梯度泡沫材料的几何模型，其中每个胞元均具有十四面体结构；
根据所述梯度泡沫材料的几何模型进行增材制造。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述梯度分布构型包括以下类型的梯度函数：单调线性梯度函数、单调非线性梯度函数、非单调线性梯度函数、非单调非线性梯度函数。
3.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于，根据以下参数计算所述梯度泡沫材料的胞元尺寸：
梯度泡沫材料的胞元所对应的高度数值、梯度泡沫材料的高度数值、梯度率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生成多个胞元核心点的坐标，包括：
根据所述梯度泡沫材料的尺寸数据构建三维有限体积单元，在该三维有限体积单元中置入数量为N的胞元核心点，其中新生成的胞元核心点需符合以下规则：
新核胞元心点和已有核胞元心点的距离大于给定距离；
该给定距离小于任意两个胞元核心点的距离；
该给定距离与任意两个相邻胞元核心点的距离的比值为预设值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，该给定距离与任意两个相邻胞元核心点的距离的比值为0.8。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述多个胞元核心点的坐标建立具有细观胞元结构的轴向梯度泡沫材料的几何模型，包括：
根据所述多个胞元核心点的坐标向外扩张形成具有细观胞元构型的梯度泡沫材料的片体模型，包括：所述多个胞元核心点分别以自身为中心并以相同的速度向外扩张，当以每个胞元核心点为中心的十四面体胞元接触到其周围的十四面体胞元时，扩张过程结束；
将所述梯度泡沫材料的片体几何模型转变为实体几何模型。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述将所述梯度泡沫材料的片体几何模型转变为实体几何模型，包括：
将所述梯度泡沫材料的片体几何模型的多个胞壁平面沿其法线的正方向和反方向各平移预定距离，并将平移后的两个平行的面的对应节点相连，使其组成多边形棱柱。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在建立梯度泡沫材料的几何模型之后，所述方法还包括：
计算所述胞元核心点与该胞元的多个胞壁节点的距离的平均值，作为该胞元的胞元尺寸；
将该胞元的胞元尺寸分布与所述胞元尺寸梯度函数分布进行对比，判断实际模型的胞元尺寸分布是否符合预先设计的梯度函数分布。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：对所述实体几何模型进行切片处理。
10.一种梯度变化连续可控的泡沫材料的增材制造系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于获取梯度泡沫材料的尺寸数据；
梯度分布构型设置模块，用于设置所述梯度泡沫材料的胞元尺寸的梯度分布构型；
胞元核心点生成模块，用于根据所述梯度分布构型、以及所述梯度泡沫材料的尺寸数据生成多个胞元核心点的坐标，其中新生成的胞元核心点的位置与已有的胞元核心点的位置相关；
几何模型建立模块，用于根据所述多个胞元核心点的坐标建立具有细观胞元结构的轴向梯度泡沫材料的几何模型，其中每个胞元均具有十四面体结构；
增材制造模块，用于根据所述梯度泡沫材料的几何模型进行增材制造。
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Also Published As
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