CN115502516A - 一种金属点阵三明治板的高效制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属点阵三明治板的高效制造方法，高效制造方法包括以下步骤：(1)在下基板上制造与电弧熔丝增材制造单元的数量相同的金属点阵结构；(2)重复进行步骤(1)，直至将下基板上的所有金属点阵结构都制备完成；(3)准备上基板，在上基板上加工出与金属点阵结构一一对应的圆形通孔；(4)在上基板上同时制造与电弧熔丝增材制造单元的数量相同的节点：利用驱动机构驱动连接架带动全部电弧熔丝增材制造单元基于电弧熔丝增材制造的原理在各自对应的圆形通孔中增材制造出节点；(5)重复步骤(4)，直至在所有圆形通孔中均增材制造出节点。本发明显著提高了金属点阵三明治板尤其是大尺寸金属点阵三明治板的制造效率。
Description
技术领域
本发明涉及三明治板加工技术领域，特别是涉及一种金属点阵三明治板的高效制造方法。
背景技术
金属点阵三明治板由上下两个金属基板和中间的点阵夹芯层组成，由于点阵芯层的周期性分布与高孔隙率的特点，金属点阵三明治板被具有轻质，高比强度，高比刚度且具有能量吸收等特性，在航空航天飞行器支撑架，军用车辆与直升机防爆甲板等重要的国防科技领域有着广阔的应用前景。金属点阵结构一般是指由金属杆等微单元按照一定的规则重复排列构成的空间桁架结构，根据点阵结构的芯体单元形式和空间构型的不同，现阶段常见的结构有四面体点阵结构、金字塔点阵结构，Kagome点阵结构等。金属点阵三明治板具有广阔的应用前景，但是其制造工艺复杂，无法大批量生产且制造成本较高。
现阶段已有的金属点阵三明治板制造工艺有冲压折叠法、拉伸折叠法、熔模铸造法、纺织层叠方法、嵌锁组装法、卡扣配合组装法和增材制造法。
冲压折叠法是将高延展的金属面板打孔，然后将带有孔洞的金属面板沿着节点位置折叠，此方法制备容易，可批量化生产，不过母料利用率比较低，加工成本很高。拉伸折叠法由切割拉伸、压扁和折叠三部分组成，此方法对母材利用率达到100％，成本低；挤压电火花切割法是先将金属波纹板夹芯盒面板整体挤压出来，然后沿垂直于挤压的方向切割波纹状的芯子，此方法母料不能充分利用，电火花切割费用昂贵，生产成本较高。熔模铸造法以聚醋为原材料，按照结构排列方式制成聚酷态空间点阵结构，再以此聚合物为牺牲模制备砂模，通过高温加热，聚合物发生熔化分解，因而在砂模内部形成点阵空间，将高温熔融状的液态金属注入砂模，凝固后清除砂模，得到金属点阵材料。熔模铸造工艺对金属流动性要求比较高，而且铸造过程容易产生缺陷，此方法目前多用于复合材料，此方法工艺复杂，成本高。纺织层叠方法是通过编织金属细丝或搭接中空金属细管材拼装成的结构，此方法已有一些专利，目前尚未大范围推广，现处于实验室研究阶段，但是无法制备大尺寸或者超大尺寸点阵三明治板。卡扣配合组装法包括：点阵桁架制作、桁架组装、开片制造和开片与桁架连接，此方法制备的三明治板尺寸精确，性能稳定；但制备工艺复杂，需要较高的生产成本。
增材制造法主要是以激光增材制造技术为主，原材料为金属粉末，热源是激光，粉床下降一定高度，借助滚筒或刮刀分配金属粉末，通过控制振镜来调节激光的运行轨迹和强度，直接熔化金属粉末，后再重复此过程，得到所需要的金属三明治板。激光增材制造设备价格高昂，制造成本很高，且由于成型仓尺寸限制无法制备大尺寸构件。
可见，现有的针对金属点阵三明治板的制造工艺存在制造成本高，制造难度大，制造流程复杂，制造周期长，制造效率低等缺点，主要缺点：无法实现大尺寸点阵三明治板的高效低成本制造，也限制了批量生产的能力，应用前景受到限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属点阵三明治板的高效制造方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高金属点阵三明治板的制造效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种金属点阵三明治板的高效制造方法，基于电弧熔丝增材制造机构，所述电弧熔丝增材制造机构包括连接架和能够驱动所述连接架在三维空间内的任意方向运动的驱动机构，所述连接架上设置有至少五个电弧熔丝增材制造单元，每个所述电弧熔丝增材制造单元都包括分别与所述连接架固连的焊枪和送丝管；
所述高效制造方法包括以下步骤：
(1)在下基板上制造与所述电弧熔丝增材制造单元的数量相同的金属点阵结构：S1，首先利用所述驱动机构驱动所述连接架带动全部所述电弧熔丝增材制造单元基于电弧熔丝增材制造的原理增材制造出每个所述金属点阵结构中的一个金属杆；S2，重复进行S1，直至将每个所述金属点阵结构中的所有所述金属杆都制造完成；
(2)重复进行步骤(1)，直至将所述下基板上的所有所述金属点阵结构都制备完成；
(3)准备上基板，在所述上基板上加工出与所述金属点阵结构一一对应的圆形通孔，并将所述上基板放置在所有所述金属点阵结构的上方，并使所述圆形通孔的中心线与对应的所述金属点阵结构的中心线重合，所述圆形通孔的内壁与所述金属点阵结构中的所有所述金属杆的顶部接触；
(4)在所述上基板上同时制造与所述电弧熔丝增材制造单元的数量相同的节点：利用所述驱动机构驱动所述连接架带动全部所述电弧熔丝增材制造单元基于电弧熔丝增材制造的原理在各自对应的所述圆形通孔中增材制造出节点，所述节点填充满所述圆形通孔，且所述金属点阵结构通过所述节点与对应的所述圆形通孔固定连接；
(5)重复步骤(4)，直至在所有所述圆形通孔中均增材制造出所述节点。
优选的，所述驱动机构采用XYZ轴驱动机构或机械臂。
优选的，所述上基板的形状、尺寸与下基板的形状、尺寸均相同。
优选的，所述上基板与所述下基板平行。
优选的，步骤S1包括以下步骤：
1)利用送丝机构通过所述送丝管将金属丝按照设定速度送出，且所述金属丝会被送至所述焊枪的尖端的下方，利用所述焊枪的尖端的钨极放电产生电弧，将所述焊枪的尖端的下方的所述金属丝熔化成为熔滴，所述熔滴掉落在所述下基板上，所述熔滴凝固后形成第一个金属层；
2)利用所述驱动机构驱动所述连接架沿要制造的所述金属杆的长度方向移动，送到所述焊枪的尖端的下方的所述金属丝熔化成为熔滴，并滴落在已经凝固的第一个金属杆金属层上，凝固后形成第二个金属杆金属层；
3)重复步骤2)，实现第三个金属杆金属层、第四个金属杆金属层……第N个金属杆金属层的层层堆叠，直至完成所述金属杆的增材制造。
优选的，所述步骤(4)包括以下步骤：
S3，利用送丝机构通过所述送丝管将金属丝按照设定速度送出，且所述金属丝会被送至所述焊枪的尖端的下方，利用所述焊枪的尖端的钨极放电产生电弧，将所述焊枪的尖端的下方的所述金属丝熔化成为熔滴，所述熔滴掉落在所述金属点阵结构上，所述熔滴凝固后形成第一个节点金属层；
S4，利用所述驱动机构驱动所述连接架沿要制造的所述节点的高度方向移动，送到所述焊枪的尖端的下方的所述金属丝熔化成为熔滴，并滴落在已经凝固的第一个节点金属层上，凝固后形成第二个节点金属层；
S5，重复步骤S4，实现第三个节点金属层、第四个节点金属层……第N个节点金属层的层层堆叠，直至完成所述节点的增材制造。
优选的，全部所述电弧熔丝增材制造单元在所述连接架上呈直线且间隔排列。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的金属点阵三明治板的高效制造方法显著提高了金属点阵三明治板尤其是大尺寸金属点阵三明治板的制造效率。本发明的金属点阵三明治板的高效制造方法提出的针对金属点阵三明治板的多弧并行高效制造工艺，解决了现有的点阵三明治板制造工艺的制造成本高，制造难度大，工艺复杂，制造效率低的缺点，极大的提升了制造效率(比其他现有工艺提升5倍以上)，有利于实现大尺寸点阵三明治板的规模化，低成本化制造。本发明提出的金属点阵三明治板多弧并行高效制造工艺，包括了对于金属点阵结构的多弧并行高效制造工艺，和对于金属点阵结构与上基板连接的多弧并行高效节点连接工艺，这两种工艺分别针对空间杆单元结构的制造和节点连接，有利于推广到空间复杂桁架类结构高效制造领域，以及焊接接头高效连接领域，实现制造效率提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明金属点阵三明治板的高效制造方法的示意图一；
图2为本发明金属点阵三明治板的高效制造方法的示意图二；
图3为本发明金属点阵三明治板的高效制造方法的示意图三；
图4为本发明金属点阵三明治板的高效制造方法的示意图四；
图5为本发明金属点阵三明治板的高效制造方法的示意图五；
其中：1、焊枪；2、送丝管；3、下基板；4、第一金属杆；5、连接架；6、第二金属杆；7、第三金属杆；8、第四金属杆；9、第N-2个金属杆金属层；10、第N-1个金属杆金属层；11、上基板；12、节点；13、第二个节点金属层；14、第三个节点金属层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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付出创造性劳动的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。
本发明的目的是提供一种金属点阵三明治板的高效制造方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高金属点阵三明治板的制造效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1至图5所示：本实施例提供了一种金属点阵三明治板的高效制造方法，基于电弧熔丝增材制造机构，电弧熔丝增材制造机构包括连接架5和能够驱动连接架5在三维空间内的任意方向运动的驱动机构，连接架5上设置有至少五个电弧熔丝增材制造单元，每个电弧熔丝增材制造单元都包括分别与连接架5固连的焊枪1和送丝管2；全部电弧熔丝增材制造单元在连接架5上呈直线且间隔排列，驱动机构可以采用XYZ轴驱动机构或机械臂。
本实施例的金属点阵三明治板的高效制造方法包括以下步骤：
(1)在下基板3上制造与电弧熔丝增材制造单元的数量相同的金属点阵结构：S1，首先利用驱动机构驱动连接架5带动全部电弧熔丝增材制造单元基于电弧熔丝增材制造的原理增材制造出每个金属点阵结构中的一个金属杆；S2，重复进行S1，直至将每个金属点阵结构中的所有金属杆都制造完成；
步骤S1具体包括以下步骤：
1)利用送丝机构通过送丝管2将金属丝按照设定速度送出，且金属丝会被送至焊枪1的尖端的下方，利用焊枪1的尖端的钨极放电产生电弧，将焊枪1的尖端的下方的金属丝熔化成为熔滴，熔滴掉落在下基板3上，熔滴凝固后形成第一个金属层；
2)利用驱动机构驱动连接架5沿要制造的金属杆的长度方向移动，送到焊枪1的尖端的下方的金属丝熔化成为熔滴，并滴落在已经凝固的第一个金属杆金属层上，凝固后形成第二个金属杆金属层；
3)重复步骤2)，实现第三个金属杆金属层、第四个金属杆金属层……第N-2个金属杆9、第N-1个金属杆10、第N个金属杆金属层的层层堆叠，直至完成金属杆的增材制造；
需要说明的是在本实施例中，按照第一金属杆4→第二金属杆6→第三金属杆7→第四金属杆8的次序，依次进行金属点阵结构中四个金属杆的增材制造；具体制造工艺如下：
同时制备5个沿XZ方向的第一金属杆4：平均电流240A，平均电压15.4V，送丝速度710.5～724mm/min，层高1.1-1.7mm，频率2.3HZ
同时制备5个沿+YZ方向的第二金属杆6：平均电流210A，平均电压13.2V，送丝速度695.4～701.4mm/min，层高1.1-1.4mm，频率2.3HZ
同时制备5个沿-YZ方向的第三金属杆7：平均电流225A，平均电压14.7V，送丝速度694.6～702.9mm/min，层高1.1-1.4mm，频率2.3HZ
同时制备5个沿-XZ方向的第四金属杆8：平均电流225A，平均电压14.7V，送丝速度694.6～702.9mm/min，层高1.1-1.4mm，频率2.3HZ。
(2)重复进行步骤(1)，直至将下基板3上的所有金属点阵结构都制备完成；
(3)准备上基板11，上基板11的形状、尺寸与下基板3的形状、尺寸均相同，在上基板11上加工出与金属点阵结构一一对应的圆形通孔，并将上基板11放置在所有金属点阵结构的上方，使上基板11与下基板3平行，并使圆形通孔的中心线与对应的金属点阵结构的中心线重合，圆形通孔的内壁与金属点阵结构中的所有金属杆的顶部接触；
(4)在上基板11上同时制造与电弧熔丝增材制造单元的数量相同的节点12：利用驱动机构驱动连接架5带动全部电弧熔丝增材制造单元基于电弧熔丝增材制造的原理在各自对应的圆形通孔中增材制造出节点12，节点12填充满圆形通孔，且金属点阵结构通过节点12与对应的圆形通孔固定连接；
步骤(4)具体包括以下步骤：
S3，利用送丝机构通过送丝管2将金属丝按照设定速度送出，且金属丝会被送至焊枪1的尖端的下方，利用焊枪1的尖端的钨极放电产生电弧，将焊枪1的尖端的下方的金属丝熔化成为熔滴，熔滴掉落在金属点阵结构上，熔滴凝固后形成第一个节点金属层；
需要说明的是，由于起弧的时候是在金属点阵结构顶端与圆形通孔的孔壁接触的区域开始，此时第一个熔滴落在圆形通孔的孔壁与金属点阵结构顶端接触的部分，并发生凝固，并不会从圆形通孔滴落；
S4，利用驱动机构驱动连接架5沿要制造的节点12的高度方向移动，送到焊枪1的尖端的下方的金属丝熔化成为熔滴，并滴落在已经凝固的第一个节点金属层上，凝固后形成第二个节点金属层13；
S5，重复步骤S4，实现第三个节点金属层14、第四个节点金属层……第N节点12个金属层的层层堆叠，直至完成节点12的增材制造；制造节点12的具体工艺参数如下：焊枪1的平均电流350A，平均电压12.4V，送丝速度1002～1046mm/min，层高0.75-1mm，频率3HZ。
(5)重复步骤(4)，直至在所有圆形通孔中均增材制造出节点12，至此，就完成了金属点阵三明治板的制造。
由于高温度梯度有利于提高凝固后金属的力学性能，因此，使得制造节点12时的电流值比制造金属杆时的电流值高。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种金属点阵三明治板的高效制造方法，其特征在于：基于电弧熔丝增材制造机构，所述电弧熔丝增材制造机构包括连接架和能够驱动所述连接架在三维空间内的任意方向运动的驱动机构，所述连接架上设置有至少五个电弧熔丝增材制造单元，每个所述电弧熔丝增材制造单元都包括分别与所述连接架固连的焊枪和送丝管；
所述高效制造方法包括以下步骤：
(1)在下基板上制造与所述电弧熔丝增材制造单元的数量相同的金属点阵结构：S1，首先利用所述驱动机构驱动所述连接架带动全部所述电弧熔丝增材制造单元基于电弧熔丝增材制造的原理增材制造出每个所述金属点阵结构中的一个金属杆；S2，重复进行S1，直至将每个所述金属点阵结构中的所有所述金属杆都制造完成；
(2)重复进行步骤(1)，直至将所述下基板上的所有所述金属点阵结构都制备完成；
(3)准备上基板，在所述上基板上加工出与所述金属点阵结构一一对应的圆形通孔，并将所述上基板放置在所有所述金属点阵结构的上方，并使所述圆形通孔的中心线与对应的所述金属点阵结构的中心线重合，所述圆形通孔的内壁与所述金属点阵结构中的所有所述金属杆的顶部接触；
(4)在所述上基板上同时制造与所述电弧熔丝增材制造单元的数量相同的节点：利用所述驱动机构驱动所述连接架带动全部所述电弧熔丝增材制造单元基于电弧熔丝增材制造的原理在各自对应的所述圆形通孔中增材制造出节点，所述节点填充满所述圆形通孔，且所述金属点阵结构通过所述节点与对应的所述圆形通孔固定连接；
(5)重复步骤(4)，直至在所有所述圆形通孔中均增材制造出所述节点。
2.根据权利要求1所述的金属点阵三明治板的高效制造方法，其特征在于：所述驱动机构采用XYZ轴驱动机构或机械臂。
3.根据权利要求1所述的金属点阵三明治板的高效制造方法，其特征在于：所述上基板的形状、尺寸与下基板的形状、尺寸均相同。
4.根据权利要求1所述的金属点阵三明治板的高效制造方法，其特征在于：所述上基板与所述下基板平行。
5.根据权利要求1所述的金属点阵三明治板的高效制造方法，其特征在于：步骤S1包括以下步骤：
1)利用送丝机构通过所述送丝管将金属丝按照设定速度送出，且所述金属丝会被送至所述焊枪的尖端的下方，利用所述焊枪的尖端的钨极放电产生电弧，将所述焊枪的尖端的下方的所述金属丝熔化成为熔滴，所述熔滴掉落在所述下基板上，所述熔滴凝固后形成第一个金属杆金属层；
2)利用所述驱动机构驱动所述连接架沿要制造的所述金属杆的长度方向移动，送到所述焊枪的尖端的下方的所述金属丝熔化成为熔滴，并滴落在已经凝固的第一金属杆金属层上，凝固后形成第二个金属杆金属层；
3)重复步骤2)，实现第三个金属杆金属层、第四个金属杆金属层……第N个金属杆金属层的层层堆叠，直至完成所述金属杆的增材制造。
6.根据权利要求1所述的金属点阵三明治板的高效制造方法，其特征在于：所述步骤(4)包括以下步骤：
S3，利用送丝机构通过所述送丝管将金属丝按照设定速度送出，且所述金属丝会被送至所述焊枪的尖端的下方，利用所述焊枪的尖端的钨极放电产生电弧，将所述焊枪的尖端的下方的所述金属丝熔化成为熔滴，所述熔滴掉落在所述金属点阵结构上，所述熔滴凝固后形成第一个节点金属层；
S4，利用所述驱动机构驱动所述连接架沿要制造的所述节点的高度方向移动，送到所述焊枪的尖端的下方的所述金属丝熔化成为熔滴，并滴落在已经凝固的第一个节点金属层上，凝固后形成第二个节点金属层；
S5，重复步骤S4，实现第三个节点金属层、第四个节点金属层……第N个节点金属层的层层堆叠，直至完成所述节点的增材制造。
7.根据权利要求1所述的金属点阵三明治板的高效制造方法，其特征在于：全部所述电弧熔丝增材制造单元在所述连接架上呈直线且间隔排列。
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