CN115846687A - 一种Bouligand螺旋堆叠结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种Bouligand螺旋堆叠结构及其制备方法，涉及增材制造领域，首先建立Bouligand螺旋堆叠结构的三维仿真模型；对所述三维仿真模型进行二维化处理，得到二维切片数据；将所述二维切片数据输入至激光选区熔化设备中进行运算处理，得到打印机的运动轨迹；在所述激光选区熔化设备中进行打印准备工作；根据所述运动轨迹进行所述三维仿真模型的打印，得到Bouligand螺旋堆叠结构。本发明利用了激光选区熔化工艺迅捷、受约束小、高精度快速成型复杂结构的特点，来制备传统材料加工工艺难以成型的结构复杂、但先天综合力学性能优异的Bouligand结构，提高了制备精度以及制备效率。

Description

一种Bouligand螺旋堆叠结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及增材制造领域，特别是涉及一种Bouligand螺旋堆叠结构及其制备方法。

背景技术

自然界亿万年演化过程中的优胜劣汰，为人类直接提供了多种多样、性能优异的生物结构。蜂窝和Bouligand是著名的两个天然生物结构。前者作为一种典型多孔结构材料，由于其相比于其基体材料有更高的孔隙率和更低的质量密度，有着极其优良的结构特性。例如，高刚度重量比和强度重量比，同时也具备良好的吸能特性和出色的冲击保护能力。而在日益发展的工程要求的推动下，单一的蜂窝结构已不能满足生产生活中的需求，因而催生了许多用于改善其机械性能的蜂窝设计。有研究表明，与传统的均匀蜂窝相比，匹配了功能梯度性能的蜂窝结构具有更强的机械性能、更低的质量密度以及更高的刚度、强度、能量吸收和冲击性。也即梯度蜂窝比均匀蜂窝具有更出色的力学性能。与此同时，Bouligand结构在生物学中的发现和提取，也为工程领域提供了借鉴思路。其最早在甲壳类动物外骨骼中发现，是一种由扭曲胶合板排列形成的天然材料，同时通过单向纳米纤维薄层螺旋堆叠而成，表现出卓越的力学功能。Bouligand这一紧密排列、纤维周期性堆叠、相邻层以一定角度连续旋转的结构，表现出了非凡的韧性和抗损伤性能，也在未来各种先进工程结构材料中具有广阔的应用前景。尽管两个生物结构提供了现成、潜在性能卓越的材料结构设计思路，但受限于传统材料加工和成型的精度和效率，增材制造具有的快速精准、目标结构一体化成型技术为上述复杂结构的制备提供了相应的可操作性。

激光选区熔化(SLM)是增材制造工艺之一，即用激光束将金属粉末熔化并融合在一起。过程可简述为：一层薄薄的粉末沉积在基板上或先前沉积的层上，激光束根据轮廓数据逐层选择性熔化金属粉末，熔化并融合粉末颗粒，由下而上逐层选择熔融最终打印出实体零件。该工艺无需借助传统模具、刀具、夹具及多道加工工序就可以制造出结构复杂且具有较高精度的零件。一方面能够实现材料“净成形”，极大地提高材料利用率；同时成形过程可实现信息化调控无需后续加工，可满足一些特殊要求并大大缩短加工周期。应用SLM技术制造出的金属零件大多都具有较高的尺寸精度和较高的表面质量以及接近100％的致密度。譬如，相比于传统铸造，应用SLM技术成型的合金拥有更为优良的力学性能，仅需简单的热处理就可以得到更好的延展性。作为最具潜力的增材制造技术，SLM被应用于航空航天领域、生物医学领域、汽车制造领域及各种制造环节。

发明内容

本发明的目的是提供一种Bouligand螺旋堆叠结构及其制备方法，以提高Bouligand结构制备的精度和效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种Bouligand螺旋堆叠结构，包括Bouligand螺旋堆叠母体结构和具有梯度变化的蜂窝结构；

所述Bouligand螺旋堆叠母体结构包括多个依次同向旋转预设角度堆叠的基元结构；所述基元结构包括多个同向紧密排列的空心圆柱管；

所述具有梯度变化的蜂窝结构填充于每个所述空心圆柱管内。

可选地，所述预设角度范围为8^°≤α≤15^°。

一种Bouligand螺旋堆叠结构的制备方法，包括：

建立上述的Bouligand螺旋堆叠结构的三维仿真模型；

对所述三维仿真模型进行二维化处理，得到二维切片数据；

将所述二维切片数据输入至激光选区熔化设备中进行运算处理，得到打印机的运动轨迹；

在所述激光选区熔化设备中进行打印准备工作；

根据所述运动轨迹进行所述三维仿真模型的打印，得到Bouligand螺旋堆叠结构。

可选地，所述在所述激光选区熔化设备中进行打印准备工作，具体包括：

在所述激光选区熔化设备中填入轻质合金粉末，设定激光工艺参数，充入惰性气体。

可选地，所述根据所述运动轨迹进行所述三维仿真模型的打印，得到Bouligand螺旋堆叠结构，之后还包括：

对所述Bouligand螺旋堆叠结构进行线切割、去应力退火处理、清洗以及喷砂处理。

可选地，所述建立上述的Bouligand螺旋堆叠结构的三维仿真模型，具体包括：

将多个空心圆柱管同向紧密排列后形成单层基元结构，得到多层基元结构仿真模型；

将多层所述基元结构仿真模型在垂直方向上按照预设角度依次进行螺旋堆叠，得到Bouligand螺旋堆叠母体结构仿真模型；

向所述Bouligand螺旋堆叠母体结构仿真模型中填充具有梯度变化的蜂窝结构，得到Bouligand螺旋堆叠结构的初始仿真模型；

对所述初始仿真模型进行修复，使最外层蜂窝结构的每个顶点都与所述空心圆柱管内接，得到Bouligand螺旋堆叠结构的三维仿真模型。

可选地，所述轻质合金粉末为钛合金粉末或者铝合金粉末。

可选地，所述轻质合金粉末的粒度范围为10-55μm。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种Bouligand螺旋堆叠结构及其制备方法，首先建立Bouligand螺旋堆叠结构的三维仿真模型；对所述三维仿真模型进行二维化处理，得到二维切片数据；将所述二维切片数据输入至激光选区熔化设备中进行运算处理，得到打印机的运动轨迹；在所述激光选区熔化设备中进行打印准备工作；根据所述运动轨迹进行所述三维仿真模型的打印，得到Bouligand螺旋堆叠结构。本发明利用了激光选区熔化工艺迅捷、受约束小、高精度快速成型复杂结构的特点，来制备传统材料加工工艺难以成型的结构复杂的、但先天综合力学性能优异的Bouligand结构，提高了制备精度以及制备效率。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的Bouligand螺旋堆叠结构示意图；

图2为本发明提供的Bouligand螺旋堆叠结构的局部放大图；

图3为基元结构为矩形的Bouligand螺旋堆叠结构示意图；其中，(a)为基元结构为矩形的Bouligand螺旋堆叠结构的正视图；(b)为基元结构为矩形的Bouligand螺旋堆叠结构的俯视图；(c)为基元结构为矩形的Bouligand螺旋堆叠结构的侧视图；

图4为本发明提供的梯度蜂窝填充Bouligand螺旋堆叠结构单一空心圆柱管的结构示意图；

图5为以圆心为中心，由内向外，厚度依次增大的蜂窝结构示意图；

图6为以圆心为中心，由内向外，厚度依次减小的蜂窝结构示意图；

图7为本发明的Bouligand螺旋堆叠结构制备方法在实际应用中的流程图；

图8为本发明提供的Bouligand螺旋堆叠结构制备方法流程图；

图9为3D打印结构辅助设计软件修复“各向异性”缺陷示意图。

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。

本发明的目的是提供一种Bouligand螺旋堆叠结构及其制备方法，以提高Bouligand结构制备的精度和效率。

为了克服传统材料加工成型天然仿生结构中的精度与效率不足问题，本发明提供了一种激光选区熔化3D打印技术成型仿生梯度蜂窝填充Bouligand螺旋堆叠结构的方法。本发明可以精确参数化控制改变蜂窝壁厚梯度变化形态、Bouligand螺旋角度、打印材料组分等，得到的3D打印仿生结构不仅具有综合力学性能良好，钛合金强度高且轻质等特点，更与蜂窝填充Bouligand结构的仿生功能性相结合，满足潜在的工业需要。

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。

实施例一

如图1所示，本发明的Bouligand螺旋堆叠结构，包括Bouligand螺旋堆叠母体结构和具有梯度变化的蜂窝结构。在本实施例中，Bouligand螺旋堆叠结构的基元结构为圆形。所述Bouligand螺旋堆叠结构的局部放大图如图2所示。

所述Bouligand螺旋堆叠母体结构包括多个依次同向旋转预设角度堆叠的基元结构；所述基元结构包括多个同向紧密排列的空心圆柱管。在实际应用中，所述基元结构可以为圆形、矩形、三角形等任意一种形状，基元结构为矩形的Bouligand螺旋堆叠结构，如图3所示。另外，所述Bouligand螺旋堆叠母体结构可以由多个基元结构依次同向旋转预设角度堆叠而成，还可以由多个基元结构依次同向进行线性或者非线性旋转堆叠而成，在本实施例中，Bouligand螺旋堆叠母体结构是采用多个基元结构依次同向旋转预设角度堆叠而成，具体地，所述预设角度范围为8^°≤α≤15^°。

所述具有梯度变化的蜂窝结构填充于每个所述空心圆柱管内。填充具有梯度变化的蜂窝结构后的空心圆柱管如图4所示。具有梯度变化的蜂窝结构的梯度变化有两种情况，一种是如图5所示，以圆心为中心，由内向外，蜂窝结构的厚度依次增大；另一种是如图6所示，以圆心为中心，由内向外，蜂窝结构的厚度依次减小。

实施例二

本发明提供了一种制备实施例一的Bouligand螺旋堆叠结构的方法，如图8所示，包括：

步骤801：建立上述的Bouligand螺旋堆叠结构的三维仿真模型。

进一步地，所述步骤801，具体包括：

步骤8011：将多个空心圆柱管同向紧密排列后形成单层基元结构，得到多层基元结构仿真模型。

步骤8012：将多层所述基元结构仿真模型在垂直方向上按照预设角度依次进行螺旋堆叠，得到Bouligand螺旋堆叠母体结构仿真模型。

在实际应用中，本发明的Bouligand螺旋堆叠结构的制备流程如图7所示，涉及两大部分：“增材制造成型”与“结构设计建模”，具体如下：

步骤一：Bouligand螺旋堆叠母体结构的设计。通过Rhino建模软件和Grasshopper参数模块化插件设计Bouligand螺旋堆叠母体结构，多个空心圆柱管同向紧密排列后形成单层基元结构，在垂直轴方向上将基元结构进行螺旋堆叠，相邻层之间以相同的角度或者不同的角度设置依次旋转陈列。

优选地，Bouligand螺旋堆叠母体结构设计，在所述步骤一中，Bouligand的结构每层由同向排列的多个空心圆柱管组成，相邻层间旋转角度以固定(一般固定8°≤α≤15°的小旋转角度，更易获得较好的综合力学性能)或非固定(如线性、非线性)等形式更替，一定层数叠加后视其为周期性变化。

步骤8013：向所述Bouligand螺旋堆叠母体结构仿真模型中填充具有梯度变化的蜂窝结构，得到Bouligand螺旋堆叠结构的初始仿真模型。

步骤二：通过Rhino建模软件和Grasshopper参数模块化插件设计梯度蜂窝子填充结构设计(梯度蜂窝填充圆管)，向上述步骤一结构中得到的各个空心圆柱管内依次填充具有梯度变化的蜂窝结构。其中，梯度蜂窝子填充结构设计(梯度蜂窝填充空心圆柱管)，蜂窝结构包含多个单体蜂窝的中空结构，并沿空心圆柱管轴向进行填充和排布。特别地，在填充空心圆柱管的径方向上，每个蜂窝单体的厚度变化，根据变化的形式，可分为等厚度的薄区、等厚度的厚区以及梯度变化区，其梯度变化中心为空心圆柱管底面的圆心，且距离圆心等半径距离的六边形蜂窝具有相同的梯度率，其蜂窝壁厚一致，故可视为等厚度区。特别地，梯度变化区中，某一点x的厚度可通过如下给出的密律函数(power-law function)得到：

其中，n为梯度率；ρ_min为等厚度薄区的厚度值，即蜂窝的最小壁厚；ρ_max为等厚度厚区的厚度值，即蜂窝的最大壁厚；L为梯度变化区间的长度。

步骤一与步骤二是“结构设计建模”的基本步骤，步骤二中的子梯度蜂窝结构填充后，在步骤一的bouligand螺旋堆叠母体结构基础上优化了综合机械与力学性能。

步骤8014：对所述初始仿真模型进行修复，使最外层蜂窝结构的每个顶点都与所述空心圆柱管内接，得到Bouligand螺旋堆叠结构的三维仿真模型。

步骤三：为避免Rhino及其Grasshopper插件设计时“阵列功能”自动产生的六边形蜂窝结构与外圆柱接触部分几何结构的各向异性，如最外沿六边形蜂窝壁与沿边未能全部规则内接外圆柱。进一步使用Netfabb软件“自动修复”、“默认修复”、“零空洞”、“零界线”、“零反向法线”等功能界面完善目标结构，使得各处蜂窝与外圆柱连接部分形态一致，如图9所示。修复后模型将呈现流型和规则完整，最外层六边形蜂窝的每个顶点都与圆柱规则内接、蜂窝壁都被给予了结构完整性，避免了外侧某蜂窝壁被圆柱面切割成内外两部分，从而提升打印操作时的容错率、结构精确度及综合力学性能。

步骤802：对所述三维仿真模型进行二维化处理，得到二维切片数据。

步骤803：将所述二维切片数据输入至激光选区熔化设备中进行运算处理，得到打印机的运动轨迹。

步骤四：使用增材制造技术制备本发明中涉及的梯度蜂窝填充Bouligand螺旋堆叠结构，构建所需制备零件结构的三维模型并将其输入增材制造编辑软件中，编辑后进行二维化处理，得到二维切片数据并将其导入激光选区熔化设备内置的辅助计算机系统和软件内，进行运算处理，得到打印机的运动轨迹。最终通过计算机把每一层的运动轨迹指令发送到打印机动力系统。

步骤804：在所述激光选区熔化设备中进行打印准备工作。

进一步地，所述步骤804，具体包括：

在所述激光选区熔化设备中填入轻质合金粉末，设定激光工艺参数，充入惰性气体。具体地，所述轻质合金粉末为钛合金粉末(如Ti 6Al4V)或者铝合金粉末(如Al-12Si)。所述轻质合金粉末的粒度范围为10μm-55μm。

步骤五：准备打印原材料轻质合金粉末。

步骤六：在激光选区熔化设备填入轻质合金粉末，设定相应激光工艺参数，激光工艺参数包括功率范围为100W-500W，激光扫描速度范围是500mm/s-2000mm/s，粉末层厚为20μm-50μm；扫描间距为70μm-120μm；在成形舱室内通入惰性保护气体，激光选区熔化过程保持氧含量为100ppm-1000ppm。

激光选区熔化过程是激光高能热源与金属材料粉末快速作用的过程，快速的加热冷却使得粉体材料在短时间内产生快速熔化和凝固，这会在材料成型区与已成型区之间造成较大的热应力，如果零件的激光加工参数选择不当，将导致零件发生表面裂纹，一旦宏观裂纹产生，零件的可实用性将受到极大的限制。因此在零件的激光选区熔化成型过程中，需严格选取激光工艺参数，得到缺陷少、综合机械性能高的成型件。

步骤七：调节基板与底面粉末槽平行并确定最佳的起始位置，以保证首层固化效果良好，确认首层打印效果良好后开始正常打印。

步骤805：根据所述运动轨迹进行所述三维仿真模型的打印，得到Bouligand螺旋堆叠结构。

进一步地，所述步骤805，之后还包括：

对所述Bouligand螺旋堆叠结构进行线切割、去应力退火处理、清洗以及喷砂处理。

步骤八：在完成激光增材制造成形后，对成形构件(Bouligand螺旋堆叠结构)进行线切割、去应力退火处理、清洗、喷砂等后处理工艺，最终得到高精度复杂结构的Bouligand螺旋堆叠结构。

优选地，在步骤八中，SLM成形钛合金的应力退火处理的温度范围是450℃-650℃，SLM成形铝合金的应力退火处理的温度范围是240℃-260℃。

本发明提供一种Bouligand螺旋堆叠结构及其制备方法，属于金属增材制造及仿生结构设计领域。首先使用三维设计软件实现螺旋堆叠结构，随后采用梯度蜂窝填充螺旋堆叠微结构，实现多层级仿生结构的模型设计；使用增材制造专用软件对导出模型进行修复优化和支撑配置，并以STL格式导入进增材制造设备系统中，按照特定比例，配置钛合金粉末，铺展在激光熔化系统上，调节基板初始位置并通入惰性保护气体后开始逐层打印，打印结束后进行清理和抛光。本发明可以精确参数化控制改变蜂窝壁厚、Bouligand螺旋角度、打印材料组分等，得到的3D打印仿生结构综合力学性能良好，不仅具有钛合金高强度且轻质等特点，更与蜂窝填充Bouligand结构的功能性相结合，满足潜在的工业需要。

实施例三

本实施例中，基于实施例二中步骤一，Bouligand螺旋堆叠结构任意两层基元结构之间旋转的预设角度α＝12^°，为固定值。

本实施例中，基于实施例二中步骤二，n为梯度率，特别地，这里取n＝e≈2.71828，其中e为自然常数。

本实施例中，基于实施例二中步骤四，所用增材制造技术为激光选区熔化(SLM)。

本实施例中，基于实施例二中步骤五，所述轻质合金粉末为钛合金(如Ti6Al4V)，所用粉末粒度范围为10-55μm。

本实施例中，基于实施例二中步骤六，设定激光选取熔化设备的激光工艺参数，其功率具体为250W，激光扫描速度是1000mm/s，单层铺粉层厚为30μm；扫描间距为100μm。

本实施例中，基于实施例二中步骤六，通入惰性气体保护时，激光选区熔化过程保持氧含量为100ppm-1000ppm。

本实施例中，基于实施例二中步骤八，SLM成形钛合金的应力退火处理的温度范围是450℃-650℃。

实施例四

本实施例中，基于实施例二中步骤一，Bouligand螺旋堆叠结构自下至上，第n层基元结构与第n+1层之间的旋转的角度α与层数n满足关系式：α_n+1＝α_n+β，其中β为可自定义的角度值，本实例中取β＝5°，使得相邻层间的旋转角度满足线性递增关系。

本实施例中，基于实施例二中步骤二，n为梯度率，特别地，这里取

为黄金分割数。

本实施例中，基于实施例二中步骤四，所用增材制造技术为激光选区熔化(SLM)。

本实施例中，基于实施例二中步骤五，所述轻质合金粉末为铝合金(如Al-12Si)，所用粉末粒度范围为10μm-55μm。

本实施例中，基于实施例二中步骤六，设定激光选取熔化设备的激光工艺参数，其功率具体为200W，激光扫描速度是750mm/s，粉末层厚为50μm；扫描间距为120μm。

本实施例中，基于实施例二中步骤六，通入惰性气体保护时，激光选区熔化过程保持氧含量为100ppm-1000ppm。

本实施例中，基于实施例二中述步骤八，SLM成形铝合金的应力退火处理的温度范围是240℃-260℃。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明利用了激光选区熔化工艺迅捷、受约束小、高精度快速成型复杂结构的特点，来制备传统材料加工工艺难以成型的结构复杂、但先天综合力学性能优异的仿生结构，横跨了增材制造和仿生学两个领域，汲取各自所长来实现构件的成型，从而满足潜在工业需求。

该发明中钛合金成形的金属构件解决了传统材料加工中存在的球化、裂纹、变形、翘曲、脱层等问题。

钛合金粉末具有原料价格相对便宜、强度高、质地轻、抗腐蚀性良好等特点，具有良好的工业应用价值。

通过优化激光选区熔化设备的激光工艺参数，可使成型精度达到±50μm，表面粗糙度小于50μm，致密度不小于99.9％。由此，可得到组织致密、缺陷少、综合机械性能高的仿生金属结构；通过后续线切割、清洗、喷砂等处理，可使表面粗糙度小于10μm，得到表面质量良好的仿生结构。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文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 (8)

1.一种Bouligand螺旋堆叠结构，其特征在于，包括Bouligand螺旋堆叠母体结构和具有梯度变化的蜂窝结构；

所述Bouligand螺旋堆叠母体结构包括多个依次同向旋转预设角度堆叠的基元结构；所述基元结构包括多个同向紧密排列的空心圆柱管；

所述具有梯度变化的蜂窝结构填充于每个所述空心圆柱管内。

2.根据权利要求1所述的Bouligand螺旋堆叠结构，其特征在于，所述预设角度范围为8^°≤α≤15^°。

3.一种Bouligand螺旋堆叠结构的制备方法，其特征在于，包括：

建立权利要求1-2任一项所述的Bouligand螺旋堆叠结构的三维仿真模型；

对所述三维仿真模型进行二维化处理，得到二维切片数据；

将所述二维切片数据输入至激光选区熔化设备中进行运算处理，得到打印机的运动轨迹；

在所述激光选区熔化设备中进行打印准备工作；

根据所述运动轨迹进行所述三维仿真模型的打印，得到Bouligand螺旋堆叠结构。

4.根据权利要求3所述的Bouligand螺旋堆叠结构的制备方法，其特征在于，所述在所述激光选区熔化设备中进行打印准备工作，具体包括：

在所述激光选区熔化设备中填入轻质合金粉末，设定激光工艺参数，充入惰性气体。

5.根据权利要求3所述的Bouligand螺旋堆叠结构的制备方法，其特征在于，所述根据所述运动轨迹进行所述三维仿真模型的打印，得到Bouligand螺旋堆叠结构，之后还包括：

对所述Bouligand螺旋堆叠结构进行线切割、去应力退火处理、清洗以及喷砂处理。

6.根据权利要求3所述的Bouligand螺旋堆叠结构的制备方法，其特征在于，所述建立权利要求1-2任一项所述的Bouligand螺旋堆叠结构的三维仿真模型，具体包括：

将多个空心圆柱管同向紧密排列后形成单层基元结构，得到多层基元结构仿真模型；

将多层所述基元结构仿真模型在垂直方向上按照预设角度依次进行螺旋堆叠，得到Bouligand螺旋堆叠母体结构仿真模型；

向所述Bouligand螺旋堆叠母体结构仿真模型中填充具有梯度变化的蜂窝结构，得到Bouligand螺旋堆叠结构的初始仿真模型；

对所述初始仿真模型进行修复，使最外层蜂窝结构的每个顶点都与所述空心圆柱管内接，得到Bouligand螺旋堆叠结构的三维仿真模型。

7.根据权利要求4所述的Bouligand螺旋堆叠结构的制备方法，其特征在于，所述轻质合金粉末为钛合金粉末或者铝合金粉末。

8.根据权利要求4所述的Bouligand螺旋堆叠结构的制备方法，其特征在于，所述轻质合金粉末的粒度范围为10-55μm。

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