CN118023545A - 一种高性能八隅体支柱点阵结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高性能八隅体支柱点阵结构及其制备方法，其包括多个支柱，多个支柱之间首尾相接构成八隅体支柱点阵结构，任意支柱包括对称设置的两个倾斜部，两个所述倾斜部共同围设出梯度空腔，在所述支柱长度方向上，所述梯度空腔的横截面面积由中心向两端端逐渐减小或增大，且所述支柱两端呈轴对称设置。本发明通过优化设计八隅体支柱点阵结构中支柱梯度空腔的孔径大小和梯度程度，提升了八隅体点阵结构的力学性能、能量吸收能力及变形稳定性，其能够避免八隅体难以兼具轻量化及稳定结构的问题，同时其兼具制备方法简单、产品质量稳定、质量小且强度高等优势。
Description
技术领域
本发明涉及晶格材料加工技术领域，具体指一种高性能八隅体支柱点阵结构及其制备方法。
背景技术
支柱晶格材料因其优异的高比强度、能量吸收等性能而被广泛应用于航空航天、汽车、生物医学植入物和声场等技术领域。基于激光增材制造技术的柔性加工技术优势，支柱点阵结构的制备成为可能，并逐步获得应用。对于实体支柱点阵结构而言，人们通常通过调整支柱的几何尺寸和形状增强其结构的压缩性能及吸能效果。近年来，作为晶格结构的重要分支，空心支柱结构较实体支柱结构密度大幅下降的同时保障了相应的力学性能，为人们设计高性能点阵结构指明了研究方向。
现阶段，八隅体结构凭借其稳定性得到了较为广泛的应用。对于常见的八隅体结构，无论是其实体还是空心支柱点阵结构，研究学者一般通过调整八隅体支柱几何形状，如将圆形支柱变成四棱柱或者六棱柱形，或将支柱连接节点采用圆弧过渡，甚至直接将节点改为球形，以期提高八隅体支柱点阵结构的力学性能。
虽然上述方法一定程度上提升了其力学性能，但这些结构仍存在与受力方向呈45°角的局部剪切带变形问题，进而存在引发整体结构突然压溃的风险，以至影响其服役稳定性。因此，如何在提高八隅体结构力学性能的基础上避免其局部剪切带变形是目前行业内亟待解决的问题。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中八隅体难以兼具轻量化及稳定结构的问题，提供一种高性能八隅体支柱点阵结构及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高性能八隅体支柱点阵结构，其特征在于：包括多个支柱，多个支柱之间首尾相接构成八隅体支柱点阵结构，任意支柱包括对称设置的两个倾斜部，两个所述倾斜部共同围设出梯度空腔，在所述支柱长度方向上，所述梯度空腔的横截面面积由中心向两端端逐渐减小或增大，且所述支柱两端呈轴对称设置。
在本发明的一个实施例中，正梯度空腔横截面直径为2m，且所述正梯度空腔为所述梯度空腔端部，负梯度空腔横截面直径为2n，且所述负梯度空腔为所述梯度空腔中心部，其中，1.2mm≤2m≤2mm，1.2mm≤2n≤2mm。
在本发明的一个实施例中，所述高性能八隅体支柱点阵结构三维尺寸为8x8x8mm，孔隙率为80％。
在本发明的一个实施例中，提供了一种高性能八隅体支柱点阵结构的制备方法，其包括如下步骤：S1、依据原始八隅体支柱点阵结构模拟相应空心模型，其中，所述空心模型包括多个支柱，任意支柱内部均设置为横截面面积均匀变化的梯度空腔结构，不同所述空心模型的梯度支柱具有不同的直径和/或梯度程度；S2、将所述原始八隅体支柱点阵结构与多个所述空心模型分别进行布朗减运算，得到多个空心八隅体支柱点阵结构模型；S3、将多个所述空心八隅体支柱点阵结构模型进行压缩仿真，并分别计算相应力学性能，比较并选取其中力学性能最佳的所述空心八隅体支柱点阵结构模型为目标加工模型；S4、选用目标粒径下的合金粉末对所述目标加工模型进行激光增材制造，得到目标高性能八隅体支柱点阵结构。
在本发明的一个实施例中，步骤S4中，所述目标粒径为15-53um，所述合金粉末为AlSi10Mg粉末。
在本发明的一个实施例中，步骤S4具体为：将所述合金粉末烘干后放置于激光增材设备的供粉仓，在激光增材功率为250-370W，加工速度为1000-1600mm/s的条件下进行打印。
在本发明的一个实施例中，其还包括步骤S5、重复步骤S1～S4，得到多个所述目标高性能八隅体支柱点阵结构，并对多个所述目标高性能八隅体支柱点阵结构进行力学性能测试以评估结构。
在本发明的一个实施例中，步骤S5中，通过样品压缩测试实验进行所述力学性能测试，通过压缩应力应变曲线评估结构的力学强度和吸能特性，通过样品变形过程评估其变形稳定性。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的高性能八隅体支柱点阵结构及其制备方法，通过优化设计八隅体支柱点阵结构中支柱梯度空腔的孔径大小和梯度程度，有效提升八隅体点阵结构的力学性能、能量吸收能力以及变形稳定性，经检测，其能够有效避免八隅体难以兼具轻量化及稳定结构的问题，是一种兼具制备方法简单、产品质量稳定、整体质量小且强度高的新型八隅体支柱点阵结构及其制备方法。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明优选实施例中高性能八隅体支柱点阵结构的制备方法中制备过程示意图；
图2是图1所示高性能八隅体支柱点阵结构的制备方法制备的八隅体晶格结构在压缩应变率为0.4时的形貌图；
图3是图1所示高性能八隅体支柱点阵结构的制备方法制备的八隅体晶格结构与常规实体支柱八隅体结构应力应变曲线；
图4是图1所示高性能八隅体支柱点阵结构的制备方法制备的八隅体晶格结构与常规实体支柱八隅体结构能量吸收对比图；
图5是本发明另一实施例中高性能八隅体支柱点阵结构的制备方法中制备过程示意图；
图6是图5所示高性能八隅体支柱点阵结构的制备方法制备的八隅体晶格结构在压缩应变率为0.4时的形貌图；
图7是图5所示高性能八隅体支柱点阵结构的制备方法制备的八隅体晶格结构与常规实体支柱八隅体结构应力应变曲线；
图8是图5所示高性能八隅体支柱点阵结构的制备方法制备的八隅体晶格结构与常规实体支柱八隅体结构能量吸收对比图。
说明书附图标记说明：1、支柱；11、倾斜部；12、梯度空腔；2、空心模型；3、原始八隅体支柱点阵结构；4、目标加工模型。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
参见图1所示，本实施例提供一种高性能八隅体支柱点阵结构，其包括多个支柱，多个支柱之间首尾相接构成八隅体支柱点阵结构，任意支柱1包括对称设置的两个倾斜部，两个所述倾斜部11共同围设出梯度空腔12，在所述支柱1长度方向上，所述梯度空腔12的横截面面积由中心向两端端逐渐减小或增大，且所述支柱1两端呈轴对称设置。具体地，本实施例中，在所述支柱1长度方向上，所述梯度空腔的横截面面积由中心向两端端逐渐减小，且所述支柱1两端呈轴对称设置，进一步地，正梯度空腔横截面直径为2m，且所述正梯度空腔为所述梯度空腔端部，负梯度空腔横截面直径为2n，且所述负梯度空腔为所述梯度空腔中心部，其中，1.2mm≤2m≤2mm，1.2mm≤2n≤2mm，本实施例中，2m＝0.9mm，2n＝2mm，支柱1侧壁厚度为0.1mm。更进一步地，本实施例中，所述高性能八隅体支柱点阵结构三维尺寸为8x8x8mm，孔隙率为80％，在其他实施例中，八隅体支柱点阵结构的三维尺寸及孔隙率可以依据实际需求进行调整，本发明对此不做具体限制。
参见图1所示，本实施例用以制备上所述的高性能八隅体支柱点阵结构，具体包括如下步骤：
S1、依据原始八隅体支柱点阵结构3模拟多个空心模型2，其中，所述空心模型2包括多个支柱1，任意支柱1内部均设置为横截面面积均匀变化的梯度空腔结构，不同所述空心模型2的梯度支柱具有不同的直径和/或梯度程度；。
S2、将所述原始八隅体支柱点阵结构3与多个所述空心模型2分别进行布朗减运算，得到多个空心八隅体支柱点阵结构模型。
S3、将多个所述空心八隅体支柱点阵结构模型进行压缩仿真，并分别计算相应力学性能，比较并选取其中力学性能最佳的所述空心八隅体支柱点阵结构模型为目标加工模型4；本实施例中，对不同参数下的晶格结构进行压缩仿真，压缩速率为2mm/s。
S4、选用目标粒径下的合金粉末对所述目标加工模型4进行激光增材制造，得到目标高性能八隅体支柱点阵结构。本实施例中，所述目标粒径为15um，所述合金粉末为AlSi10Mg粉末。具体地，将所述合金粉末烘干后放置于激光增材设备的供粉仓，在激光增材功率为250W，加工速度为10mm/s的条件下进行打印，取出样品后回收残余粉末。本实施例拍摄了目标高性能八隅体支柱点阵结构集合阵列后的微观形貌图，见图2所示，由图可见，其实际形貌与目标模型形貌一致，即，通过激光增材加工能够得到高性能八隅体支柱点阵结构。
本实施例还包括步骤S5、重复步骤S1～S4，得到多个所述目标高性能八隅体支柱点阵结构，并对多个所述目标高性能八隅体支柱点阵结构进行力学性能测试以评估结构。进一步地，步骤S5中，通过样品压缩测试实验进行所述力学性能测试，通过压缩应力应变曲线评估结构的力学强度和吸能特性，通过样品变形过程评估其变形稳定性。具体地，其与常规八隅体结构工程应变对比见图3所示，由此可见，本实施例中的八隅体晶格结构显然具有更高的力学性能，具体地，本实施例中的目标高性能八隅体支柱点阵结构屈服应力提升了190％，平台应力提升了270％。此外，本实施例还进行了能量吸收的数据变化计算，由此对其体现其力学性能的变化进行分析对比，同样地，由图4可以看出，本实施例中的八隅体晶格结构显然具有更高的力学性能，具体地，本实施例中的目标高性能八隅体支柱点阵结构能量吸收能力提升了249％，同时避免了45°方向剪切带的存在。
实施例二
参见图5所示，本实施例提供一种高性能八隅体支柱点阵结构，其包括多个支柱1，多个支柱1之间首尾相接构成八隅体支柱点阵结构，任意支柱包括对称设置的两个倾斜部11，两个所述倾斜部共同围设出梯度空腔12，在所述支柱1长度方向上，所述梯度空腔12的横截面面积由中心向两端端逐渐减小或增大，且所述支柱1两端呈轴对称设置。具体地，本实施例中，在所述支柱1长度方向上，所述梯度空腔12的横截面面积由中心向两端端逐渐增大，且所述支柱1两端呈轴对称设置，进一步地，正梯度空腔横截面直径为2m，且所述正梯度空腔为所述梯度空腔端部，负梯度空腔横截面直径为2n，且所述负梯度空腔为所述梯度空腔中心部，其中，1.2mm≤2m≤2mm，1.2mm≤2n≤2mm，本实施例中，2m＝1.8mm，2n＝1.6mm，支柱1侧壁厚度为0.2mm。更进一步地，本实施例中，所述高性能八隅体支柱点阵结构三维尺寸为8x8x8mm，孔隙率为80％。
本实施例中用以制备上述的高性能八隅体支柱点阵结构的方法具体包括如下步骤：
S1、依据原始八隅体支柱点阵结构3模拟多个空心模型2，其中，所述空心模型2包括多个支柱1，任意支柱1内部均设置为横截面面积均匀变化的梯度空腔结构，不同所述空心模型2的梯度支柱具有不同的直径和/或梯度程度。
S2、将所述原始八隅体支柱点阵结构3与多个所述空心模型2分别进行布朗减运算，得到多个高性能八隅体支柱点阵结构模型。
S3、将多个所述高性能八隅体支柱点阵结构模型进行压缩仿真，并分别计算相应力学性能，比较并选取其中力学性能最佳的所述高性能八隅体支柱点阵结构模型为目标加工模型4；本实施例中，对不同参数下的晶格结构进行压缩仿真，压缩速率为2mm/s。
S4、选用目标粒径下的合金粉末对所述目标加工模型4进行激光增材制造，得到目标高性能八隅体支柱点阵结构。本实施例中，所述目标粒径为53um，所述合金粉末为AlSi10Mg粉末，体地，将所述合金粉末烘干后放置于激光增材设备的供粉仓，在激光增材功率为370W，加工速度为1600mm/s的条件下进行打印，取出样品后回收残余粉末。本实施例拍摄了目标高性能八隅体支柱点阵结构集合阵列后的微观形貌图，见图6所示，由图可见，其实际形貌与目标模型形貌一致，即，通过激光增材加工能够得到高性能八隅体支柱点阵结构。
本实施例还包括步骤S5、重复步骤S1～S4，得到多个所述目标高性能八隅体支柱点阵结构，并对多个所述目标高性能八隅体支柱点阵结构进行力学性能测试以评估结构。进一步地，步骤S5中，通过样品压缩测试实验进行所述力学性能测试，通过压缩应力应变曲线评估结构的力学强度和吸能特性，通过样品变形过程评估其变形稳定性。具体地，其与常规八隅体结构工程应变对比见图7所示，由此可见，本实施例中的八隅体晶格结构显然具有更高的力学性能，具体地，本实施例中的目标高性能八隅体支柱点阵结构屈服应力提升了182％，平台应力提升了257％。此外，此外，本实施例还进行了能量吸收的数据变化计算，由此对其体现其力学性能的变化进行分析对比，同样地，由图8可以看出，本实施例中的八隅体晶格结构显然具有更高的力学性能，具体地，本实施例中的目标高性能八隅体支柱点阵结构能量吸收能力提升了245％，同时避免了45°方向剪切带的存在。
综上，本发明所述的高性能八隅体支柱点阵结构及其制备方法，通过优化设计八隅体支柱点阵结构中支柱梯度空腔的孔径大小和梯度程度，有效提升八隅体点阵结构的力学性能、能量吸收能力以及变形稳定性，经检测，其能够有效避免八隅体难以兼具轻量化及稳定结构的问题，是一种兼具制备方法简单、产品质量稳定、整体质量小且强度高的新型八隅体支柱点阵结构及其制备方法。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种高性能八隅体支柱点阵结构，其特征在于：包括多个支柱，多个支柱之间首尾相接构成八隅体支柱点阵结构，任意支柱包括对称设置的两个倾斜部，两个所述倾斜部共同围设出梯度空腔，在所述支柱长度方向上，所述梯度空腔的横截面面积由中心向两端端逐渐减小或增大，且所述支柱两端呈轴对称设置。
2.根据权利要求1所述的高性能八隅体支柱点阵结构，其特征在于：正梯度空腔横截面直径为2m，且所述正梯度空腔为所述梯度空腔端部，负梯度空腔横截面直径为2n，且所述负梯度空腔为所述梯度空腔中心部，其中，1.2mm≤2m≤2mm，1.2mm≤2n≤2mm。
3.根据权利要求1所述的高性能八隅体支柱点阵结构，其特征在于：所述高性能八隅体支柱点阵结构三维尺寸为8x8x8mm，孔隙率为80％。
4.一种高性能八隅体支柱点阵结构的制备方法，其特征在于：用以制备权利要求1～3中任意一项所述的高性能八隅体支柱点阵结构，具体包括如下步骤：
S1、依据原始八隅体支柱点阵结构模拟相应空心模型，其中，所述空心模型包括多个支柱，任意支柱内部均设置为横截面面积均匀变化的梯度空腔结构，不同所述空心模型的梯度支柱具有不同的直径和/或梯度程度；
S2、将所述原始八隅体支柱点阵结构与多个所述空心模型分别进行布朗减运算，得到多个空心八隅体支柱点阵结构模型；
S3、将多个所述空心八隅体支柱点阵结构模型进行压缩仿真，并分别计算相应力学性能，比较并选取其中力学性能最佳的所述空心八隅体支柱点阵结构模型为目标加工模型；
S4、选用目标粒径下的合金粉末对所述目标加工模型进行激光增材制造，得到目标高性能八隅体支柱点阵结构。
5.根据权利要求4所述的高性能八隅体支柱点阵结构的制备方法，其特征在于：步骤S4中，所述目标粒径为15-53um，所述合金粉末为AlSi10Mg粉末。
6.根据权利要求4所述的高性能八隅体支柱点阵结构的制备方法，其特征在于：步骤S4具体为：将所述合金粉末烘干后放置于激光增材设备的供粉仓，在激光增材功率为250-370W，加工速度为1000-1600mm/s的条件下进行打印。
7.根据权利要求4所述的高性能八隅体支柱点阵结构的制备方法，其特征在于：其还包括步骤S5、重复步骤S1～S4，得到多个所述目标高性能八隅体支柱点阵结构，并对多个所述目标高性能八隅体支柱点阵结构进行力学性能测试以评估结构。
8.根据权利要求4所述的高性能八隅体支柱点阵结构的制备方法，其特征在于：步骤S5中，通过样品压缩测试实验进行所述力学性能测试，通过压缩应力应变曲线评估结构的力学强度和吸能特性，通过样品变形过程评估其变形稳定性的力学强度和吸能特性，通过样品变形过程评估其变形稳定性。
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