CN115427172A - 用在增材制造应用中的拉胀三维结构 - Google Patents

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Abstract

一种拉胀(NPR)结构包括多个竖向相交的波纹型片材，每个波纹型片材具有负泊松比，每个波纹型片材与两个相邻的波纹型片材相交，从而形成矩形管状结构，并且使得每个波纹型片材的一部分从所述每个波纹型片材与相邻波纹型片材的相交部向外突出，多个波纹型片材上的每个波纹部的振幅为使得：在没有支承结构的情况下，波纹型片材的悬置表面不超过印适性的角度阈值。

Description

用在增材制造应用中的拉胀三维结构
技术领域
本公开的各方面总体上涉及可调节的结构、特别地具有负泊松比的结构、以及形成这些结构的增材制造过程。
背景技术
在典型的结构或材料沿着特定的轴线被压缩时，它们最常被观察到沿与施加的载荷正交的方向膨胀。表征该行为的特性是泊松比，泊松比可以被限定为负横向应变与纵向应变之间的比率。可以通过开发具有负泊松比的结构(也称为NPR结构，这将是之后使用的术语)来设计拉胀式超材料。包括拉胀结构(即具有负泊松比行为的结构)的超材料将在被压缩(或拉伸)时沿横向方向收缩(或膨胀)。
增材制造(AM)使得能够制造使用常规制造技术难以制造的部件。在许多增材制造过程中，这些部件是逐层地制造的。一种这样的增材制造过程是激光粉末床融合(L-PBF)。
发明内容
在一种构型中，拉胀(NPR)结构包括多个竖向相交的波纹型片材，每个波纹型片材具有负泊松比，每个波纹型片材与两个相邻的波纹型片材相交，以形成矩形管状结构，并且使得每个波纹型片材的一部分从每个波纹型片材的与相邻波纹型片材的相交部向外突出，多个波纹型片材上的每个波纹部的振幅为使得：在没有支承结构的情况下，波纹型片材的悬置表面不超过印适性的角度阈值。
在另一构型中，燃气涡轮部件包括结合有重复的拉胀结构的固体外壁，重复的拉胀结构包括多个NPR结构，每个NPR结构包括三维单元室，3D单元室包括具有正弦形片材的多个波纹型片材，所述多个波纹型片材在正弦波的鞍点处彼此相交。
在又一构型中，一种使用增材制造过程来形成部件的方法包括：将支承结构设置在构建板上；利用支承结构、通过增材制造过程来形成部件，以便在AM过程期间对部件的形成层进行支承；以及将支承结构从形成的部件移除。该支承结构包括重复的拉胀结构，该重复的拉胀结构包括多个NPR结构，每个NPR结构包括三维单元室，3D单元室包括具有正弦形片材的多个波纹型片材，所述多个波纹型片材在正弦波的鞍点处彼此相交。
附图说明
为了容易地识别对任何特定元件或动作的讨论，附图标记中最重要一个或多个数字指代该元件被首次引入的图号。
图1图示了三维的单元室拉胀(NPR)结构的立体图。
图2图示了图1的NPR结构在波纹部峰的位置处截取的横截面视图。
图3图示了具有不同波纹部振幅的两个NPR单元室结构。
图4图示了具有不同波纹部波长的四个NPR单元室结构。
图5图示了图1的NPR结构，该NPR结构具有置于波纹部的峰处的孔。
图6图示了重复的拉胀(NPR)结构。
图7图示了结合有重复的拉胀结构的涡轮轮叶的立体图。
图8图示了重复的拉胀结构的横截面视图，该重复的拉胀结构在波纹部峰处具有用于冲击冷却的孔。
图9图示了在AM过程中利用支承结构的涡轮轮叶的立体图。
具体实施方式
燃气涡轮发动机在高温下操作，以确保最大效率并使不期望的排放最小化。燃烧路径内的发动机内部部件通常由在升高温度下具有高强度的超级合金材料构成。然而，超级合金部件通常使用常规方法比如铸造和锻造来制造，这些常规方法在部件几何形状上造成一定限制。部分地由于对不能通过常规方法生产的复杂几何形状件进行打印的能力，增材制造(AM)目前是用于制造在燃气涡轮的热部段中使用的部件的有吸引力的选择。然而，利用AM过程构建的部件也通常在AM构建过程以及随后的热处理和热等静压(HIP)循环期间经受开裂。因此，本发明人提出了具有可调节的机械特性的拉胀(NPR)结构，该拉胀结构可以被增材制造而在构建过程、随后的热处理和HIP循环期间开裂的可能性减小。
图1图示了三维(3D)单元室NPR结构100。该NPR结构100包括多个竖向(相对于地面)相交的波纹型片材102，以形成3D结构。每个波纹型片材可以包括正弦波动波，每个波纹型片材在正弦图形的鞍点处与相邻波纹型片材相交，从而将波纹型峰定位在相交部之间。在实施方式中，具有正弦波动波的每个波纹型片材在正弦图形的鞍点处与相邻波纹型片材正交地相交。因此，每个波纹型片材可以由下述方程来构造：
z＝h*sin(2πx/λ)sin(2πy/λ) (1)
其中，z为给定位置(x,y)处的法向高度，h为波纹部振幅，并且λ为波长。图1中所示的参数a对应于单元室参数，其中，单元室为尺寸a×a×a的立方体。在NPR结构100的实施方式中，λ(波长)的值等于a、即单元室参数。每个片材的厚度限定为t。所图示的单元室NPR结构100可以包括圆角、或相交的波纹型片材102的突出超出相交部的部分。可以添加圆角以避免应力集中。
因此，NPR结构100可以在不利用支承结构的情况下利用AM过程、比如通过激光粉末床融合(L-PBF)来制造，NPR结构100在没有支承结构的情况下不应该包括超过印适性的角度阈值的任何悬置表面。在L-PBF过程的情况下，该印适性的角度阈值通常为45°。因此，在实施方式中，NPR结构100不包括超过45°角度的任何悬置表面。该条件可以使用NPR结构100通过规定下述者来实现：
h≤a/2π (2)
公式(2)的推导可以通过确定波纹型片材102的最大导数来获得。尽管L-PBF在整个公开中被特别地提及为AM过程，如本领域的技术人员将理解的，所提出的NPR结构100也可以使用其他AM过程来制造。此外，阈值角度可以根据材料、过程和尺寸而变化。
如果在波纹型峰的位置处穿过NPR结构100截取水平面，则所得的横截面如图2中所示。在二维中，该几何形状通过使弯曲弧线移位来实现NPR行为。在这些弯曲弧线弯折时，它们使相交节点旋转，这在横向弧线中也引起了弯折。所提出的结构采取S形几何形状的二维NPR行为，并且将该二维NPR转化为三维。所提出的NPR结构100由于其独特的几何形状而在所有三个正交方向上都具有负泊松比。
在实施方式中，NPR结构100的几何形状参数可以改变，以调节NPR结构100的机械特性。几何学的NPR结构100的几何形状特性、即波长(λ)、振幅(h)和厚度(t)可以在图1中看到。NPR结构100的机械特性可以包括刚度、泊松比(包括负值)、密度和热导率。当NPR结构100结合到部件中时，可以获得一些益处。通过调节机械特性，与其他结构即杆/韧带型结构相比，可以降低应力并改善热传递。例如，包括NPR结构100的部件中的较低应力可以通过调节泊松比(具有负值)来实现，从而减轻来自热膨胀的横向载荷。其他特性(即，例如刚度和密度)也可以被调节以实现针对应力减小或改善热行为的最佳值。
NPR结构100的可调节的特性在增材制造的部件中会是特别有价值的。应力减小不仅提高了部件的使用寿命，而且还通过使在由构建以及随后的热处理和HIP循环期间的强热梯度引起的应力减小而提高了印适性。
为了评估NPR结构100的机械特性，可以根据本领域技术人员已知的方法对具有例如a＝2和壁厚比率a/t＝40的几何形状参数的单元室进行有限元分析。在图3和图4中所示的示例中，NPR结构100的振幅h和波长λ改变。图3图示了NPR结构300的波纹部的振幅h的变化，而图4图示了NPR结构400的波纹部的波长的变化。该分析结果示出了泊松比在频率为每单元室仅1个波长时且在振幅(h)为大约0.1至0.15时是最大化的。
对于许多燃气涡轮部件的寿命、特别是在发动机中于最高温度下操作的涡轮部段中的那些部件的寿命，这些部件被冷却以防止由于极端温度造成的熔化和其他不利影响。除了NPR结构100的机械特性以外，NPR结构100还可以提供冷却功能。由NPR结构100的相交的波纹型片材102之间的空隙所形成的流体容积可以形成通道，可以利用这些通道来承载穿过包括NPR结构100的部件的冷却空气。在实施方式中，NPR结构100还可以在片材中包括孔，以允许冷却空气在通道之间交叉连通。例如，图5图示了具有穿过波纹部的峰添加在NPR结构中的多个孔502的NPR结构500。附加地或替代性地，孔502可以置于拐点处。添加孔也可以影响NPR结构100的机械特性。例如，置于波纹部拐点处的孔将使泊松比减小，从而使泊松比更负，而峰处的孔将使泊松比更正，从而接近材料的体积值。相对于波纹部的尺寸，孔可以具有变化的尺寸。
图6图示了包括多个NPR结构100的重复的拉胀(NPR)结构600。在所示的示例中，重复的NPR结构600包括一组4×4×4个NPR结构单元室100。在某些实施方式中，重复的NPR结构600可以结合到部件中。尽管在本公开中讨论了燃气涡轮部件，但重复的NPR结构600可以结合到用于多种目的的各种部件中。
在实施方式中，重复的NPR结构600结合到燃气涡轮部件中。图7图示了结合有重复的NPR结构600的燃气涡轮部件、涡轮轮叶700的立体图。参照图7，涡轮轮叶700包括长形翼型件702，该长形翼型件702具有带有外壁704的本体。涡轮轮叶700还可以包括位于涡轮轮叶的第一端部处的外防护罩708和位于涡轮轮叶的第二端部处的、也被称为平台的内防护罩706。涡轮轮叶700可以构造成在燃气涡轮发动机中使用。在实施方式中，重复的NPR结构600可以结合到具有固体外壁704的翼型件702的内部部分中。具有重复的NPR结构600的涡轮轮叶700的益处可以是应力减小和改善冷却。
在实施方式中，燃气涡轮部件700包含材料、即合金247。合金247是Ni基合金，Ni基合金由于其在升高温度下的高强度而通常用于非常易于热蠕变的环境中的部件、比如燃气涡轮部件。具有使用例如AM过程比如激光粉末床融合(L-PBF)代替铸造来在合金247中增材制造、即3D打印燃气涡轮部件可以减少生产时间并且更具有成本效益。然而，已知合金247难以制造，并且合金247被分类为不可焊接。在3D打印过程期间和后处理中比如在HIP(热等静压)循环期间经常发生开裂。尽管合金247已经被特别地提及为可以构成NPR结构100的材料，但NPR结构可以包括其他材料，比方说例如钛、不锈钢、塑料和橡胶。
在实施方式中，如上所述，重复的NPR结构600具有可调节的机械特性，以及提供冷却功能。冲击冷却孔可以定尺寸且设置在重复的NPR结构600中，以定制机械特性，以便管理热壁与NPR结构600之间的热斗争(thermal fight)。例如，图8图示了结合到例如涡轮轮叶700中的重复的拉胀结构600的横截面视图，涡轮轮叶700具有暴露于可能达到900摄氏度或更高温度的热气体802流的固体外壁704。在波纹型峰中可以形成有多个孔502，如图5和图8中所示的。冷却空气流可以通过由重复的NPR结构600形成的通道供给、垂直于图8所示的视图行进。如所示的，冷却空气流动通过通道并冲击在固体外壁704上，从而使固体外壁704冷却。
支承结构经常用于增材制造过程，在增材制造过程中，要打印的部件在打印过程期间以及有时也在随后的热处理期间由支承结构支承。支承结构将通常定位成对部件的超过自支承角度阈值的区域进行支承，自支承角度阈值对于大多数L-PBF过程为45°。支承结构可以包括厚的、强的且致密的柱状支承件，该柱状支承件将所述部件刚性地连接至构建板。这些支承件抵抗高热应力和部件从构建板剥离的趋势。在完成部件后，柱状支承件通过机械处理被移除。替代地，薄的、格状的支承件可以用于支承悬置表面以避免塌陷，并且可以被手动地或通过喷砂移除。这些现有的支承结构具有的缺点在于它们在打印过程期间以及在后加工热处理和HIP期间在部件上产生局部的应力集中。在难以焊接的合金比如合金247的情况下，现有的结构可能在由热梯度引起的载荷作用下断裂。
因为涡轮轮叶通常具有结合的、悬置在翼型件702上的平台706、708，因此悬置的几何形状件必须通过支承结构构建，该支承结构经常在构建期间断裂，由此引起构造失效件。在一些情况下，这些构造失效件必须报废。因此，发明人提出了在增材制造过程中利用重复的拉胀结构600作为支承结构。图9图示了利用重复的拉胀结构600作为支承结构902的涡轮轮叶700的立体图。支承结构902可以设置在构建板904上。如附图中所看到的，支承结构902从构建板904延伸至部件700。在AM过程期间于支承结构902上形成部件的层。
在实施方式中，支承结构902的机械特性可以如上面关于NPR结构100所描述的那样进行调节。例如，支承结构902可以被调节以响应AM过程比如L-PBF的热负荷，使得应力被最小化。
总之，所提出的NPR结构100具有使其非常适合于增材制造过程的特性。例如，不存在横向或悬置表面，这使得NPR结构100能够在没有外部支承结构的情况下在激光粉末床融合过程中进行3D打印。当相交的波纹型片材102的波纹部的振幅被限定成使得相对于构建板904没有悬置表面低于45度时，NPR结构100自身可以用作支承结构，以便对经打印的部件中的悬置特征进行支承。此外，NPR结构100及其相交的片材具有的刚度和密度使得NPR结构100能够抵抗由重热负荷引起的移位特征和扭曲特征。调节NPR结构100的泊松比也可以使得该结构能够减小增材制造部件中的应力和开裂。
尽管已经详细描述了本公开的示例性实施方式，但是本领域技术人员将理解的是，在不脱离本公开的最宽泛形式的精神和范围的情况下，可以做出本文所公开的各种改型、替代方案、变型和改进方案。
本申请中的任何描述都不应被解读为暗示任何特定的元件、步骤、动作或功能是必须包括在权利要求范围内的必要元素：专利主题的范围仅由所允许的权利要求来限定。此外，除非确切的词语“用于……的装置”后面是分词，否则这些权利要求都不意在援引装置加功能的权利要求结构。

Claims (20)

1.一种拉胀(NPR)结构，包括：
多个竖向相交的波纹型片材，每个波纹型片材具有负泊松比，
其中，每个波纹型片材与两个相邻的波纹型片材相交以形成矩形管状结构，并且其中，每个波纹型片材的一部分从所述每个波纹型片材的与相邻波纹型片材的相交部向外突出，并且
其中，所述多个波纹型片材上的每个波纹部的振幅为使得：在没有支承结构的情况下，所述波纹型片材的悬置表面不超过印适性的角度阈值。
2.根据权利要求1所述的拉胀结构，其中，所述NPR结构包括三维的单元室，所述单元室包括所述多个波纹型片材，每个波纹型片材是正弦形状以限定鞍部，并且其中，所述波纹型片材在正弦波的鞍点处彼此相交。
3.根据权利要求1所述的拉胀结构，其中，所述NPR结构在没有支承结构的情况被增材制造。
4.根据权利要求3所述的拉胀结构，其中，所述NPR结构使用激光粉末床融合(L-PBF)过程被增材制造。
5.根据权利要求2所述的拉胀结构，
其中，能够通过对所述多个波纹型片材中的每个波纹型片材的厚度(t)、每个波纹型片材的振幅(h)和每个波纹型片材的波长(λ)中的一者进行修改来调节所述NPR结构的多个机械特性。
6.根据权利要求5所述的拉胀结构，其中，所述多个机械特性选自包括刚度、泊松比、密度和热传递的组。
7.根据权利要求5所述的拉胀结构，其中，振幅(h)与室长度参数a的比率在0.1至-0.15的范围内，并且其中，室长度参数(a)与波长(λ)的比率为1。
8.根据权利要求1所述的拉胀结构，其中，所述NPR结构在所述多个波纹型片材中的每个波纹型片材中包括孔。
9.根据权利要求8所述的拉胀结构，其中，所述孔设置在所述多个波纹型片材中的每个波纹部的峰或拐点处。
10.根据权利要求1所述的拉胀结构，其中，所述印适性的角度阈值为45°。
11.一种燃气涡轮部件，包括：
包括多个NPR结构的重复的拉胀结构，每个NPR结构为根据权利要求1所述的NPR结构，
其中，每个NPR结构包括三维的单元室，所述单元室包括多个波纹型片材，每个波纹型片材为正弦形状以限定鞍部，波纹部定位在峰处，并且其中，所述波纹型片材在正弦波的鞍点处彼此相交。
12.根据权利要求11所述的燃气涡轮部件，其中，所述燃气涡轮部件包括固体外壁，所述固体外壁在所述固体外壁内、所述部件的内部部分中结合有所述重复的拉胀结构。
13.根据权利要求11所述的燃气涡轮部件，
其中，能够通过对所述多个波纹型片材中的每个波纹型片材的厚度(t)、每个波纹型片材的振幅(h)和每个波纹型片材的波长(λ)中的至少一者进行修改来调节每个NPR结构的多个机械特性。
14.根据权利要求13所述的燃气涡轮部件，其中，所述多个机械特性选自包括刚度、泊松比、密度和热传递的组。
15.根据权利要求12所述的燃气涡轮部件，
其中，所述重复的NPR结构还包括设置在所述波纹型片材的所述峰处的多个孔，并且
其中，冷却流流动到由所述重复的NPR结构形成的通道中、通过所述多个孔、并冲击所述固体外壁的内部部分，以便冷却所述固体外壁。
16.根据权利要求15所述的燃气涡轮部件，其中，所述燃气涡轮部件是涡轮轮叶或涡轮叶片。
17.根据权利要求16所述的燃气涡轮部件，其中，所述燃气涡轮部件包含合金247。
18.根据权利要求17所述的燃气涡轮部件，其中，所述燃气涡轮部件使用激光粉末床融合(L-PBF)过程被增材制造。
19.一种使用增材制造过程形成部件的方法，所述方法包括：
将支承结构布置在构建板上，所述将支承结构布置在构建板上包括：
将第一多个波纹型片材沿竖向取向定位，以及
将第二多个波纹型片材与所述第一多个波纹型片材正交地相交以限定矩形管状结构，所述第一多个波纹型片材和所述第二多个波纹型片材中的波纹型片材中的每个波纹型片材都具有从所述每个波纹型片材与相邻波纹型片材的相交部向外突出的部分，
其中，每个波纹部的振幅为使得：在没有支承结构的情况下，悬置表面不超过印适性的角度阈值；
利用所述支承结构、通过增材制造过程来形成所述部件，以便在所述增材制造过程期间对所述部件的形成层进行支承；以及
将所述支承结构从形成的所述部件移除，
其中，所述支承结构从所述构建板延伸至所述部件。
20.根据权利要求19所述的支承结构，其中，每个波纹型片材为正弦形状以限定鞍部，并且其中，所述波纹型片材在正弦波的鞍点处彼此相交。
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Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1327410A (zh) * 1999-08-30 2001-12-19 日本碍子株式会社 波纹壁蜂窝构件及其制造方法
US8652602B1 (en) * 2007-02-28 2014-02-18 William Jacob Spenner Dolla Rotational expansion auxetic structures
WO2015119694A2 (en) * 2013-11-14 2015-08-13 General Electric Company Turbine components with negative cte features
DE102014209589A1 (de) * 2014-05-20 2015-11-26 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Thermisch belastetes Bauteil
WO2016112367A2 (en) * 2015-01-09 2016-07-14 President And Fellows Of Harvard College Hybrid dimple-and-void auxetic structures with engineered patterns for customized npr behavior
CN106457748A (zh) * 2014-01-24 2017-02-22 墨尔本皇家理工大学 结构化多孔超材料
CN106541568A (zh) * 2016-10-31 2017-03-29 常州工学院 一种三维负泊松比周期性多孔材料及其制作方法
CN106687270A (zh) * 2014-07-25 2017-05-17 佛罗里达州立大学研究基金会 拉胀泡沫的材料体系和制造方法
CN108367536A (zh) * 2015-01-09 2018-08-03 哈佛大学校董委员会 负泊松比华夫式结构
WO2019167491A1 (ja) * 2018-02-28 2019-09-06 株式会社富士通ゼネラル 隔壁式熱交換器
CN110210085A (zh) * 2019-05-20 2019-09-06 南京理工大学 内凹六边形负泊松比点阵结构参数化有限元建模方法
WO2019226195A2 (en) * 2017-12-01 2019-11-28 California Institute Of Technology Fabrication and design of composites with architected layers
EP3595333A1 (en) * 2018-07-11 2020-01-15 Infineon Technologies AG Mems device

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB0715621D0 (en) * 2007-08-10 2007-09-19 Rolls Royce Plc Support architecture

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1327410A (zh) * 1999-08-30 2001-12-19 日本碍子株式会社 波纹壁蜂窝构件及其制造方法
US8652602B1 (en) * 2007-02-28 2014-02-18 William Jacob Spenner Dolla Rotational expansion auxetic structures
WO2015119694A2 (en) * 2013-11-14 2015-08-13 General Electric Company Turbine components with negative cte features
CN106457748A (zh) * 2014-01-24 2017-02-22 墨尔本皇家理工大学 结构化多孔超材料
DE102014209589A1 (de) * 2014-05-20 2015-11-26 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Thermisch belastetes Bauteil
CN106687270A (zh) * 2014-07-25 2017-05-17 佛罗里达州立大学研究基金会 拉胀泡沫的材料体系和制造方法
CN108367536A (zh) * 2015-01-09 2018-08-03 哈佛大学校董委员会 负泊松比华夫式结构
WO2016112367A2 (en) * 2015-01-09 2016-07-14 President And Fellows Of Harvard College Hybrid dimple-and-void auxetic structures with engineered patterns for customized npr behavior
CN106541568A (zh) * 2016-10-31 2017-03-29 常州工学院 一种三维负泊松比周期性多孔材料及其制作方法
WO2019226195A2 (en) * 2017-12-01 2019-11-28 California Institute Of Technology Fabrication and design of composites with architected layers
WO2019167491A1 (ja) * 2018-02-28 2019-09-06 株式会社富士通ゼネラル 隔壁式熱交換器
EP3595333A1 (en) * 2018-07-11 2020-01-15 Infineon Technologies AG Mems device
CN110210085A (zh) * 2019-05-20 2019-09-06 南京理工大学 内凹六边形负泊松比点阵结构参数化有限元建模方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
李卓然: "拉胀型结构变形特性的研究", 《黑龙江科技信息》, pages 7 - 11 *

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Publication number Publication date
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