CN111895015B - 基于增材制造的变体梯度点阵结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于增材制造的变体梯度点阵结构，包括重复层叠并相互连接的多个变体梯度点阵层；所述变体梯度点阵层包括重复排列并相互连接的多个变体梯度单胞列；所述变体梯度单胞列包括沿单一方向重复排列并相互连接的多个点阵单胞；所述点阵单胞由原始点阵单胞沿一个或多个方向进行尺寸延拓形成；本发明的点阵结构改善了现有梯度结构连接处的结构突变问题。在保证其具有高强度的承载能力的同时，提高其能量吸收能力，使得其具有更好的抗冲击特性。

Description

基于增材制造的变体梯度点阵结构
技术领域
本发明涉及点阵结构，尤其涉及一种面向增材制造的梯度点阵结构及其设计方法。该结构连接稳定，有着不同于传统点阵结构的力学响应，有着高强度，高刚度以及优异的能量吸收能力的优势。
背景技术
点阵结构以其轻质、高比强度和高比刚度的优势在航天、汽车等领域的轻量化设计上有着举足轻重的地位。但点阵结构的复杂内部微结构对于传统制备工艺有着极大的挑战，随着增材制造技术的发展，将其应用于点阵结构的制备成为了趋势。其不仅能保证内部复杂微结构的精度和成型质量，还能有效保障力学性能。此外，相比于传统制备工艺，采用增材制造技术制备点阵结构还也到了节约材料的目的。
近年来，具有随区域变化而性能变化的梯度点阵结构以其独特的优势引起了广泛关注，专利“CN107498948A”公布了一种通过改变单胞的杆径来实现结构梯度化的方法，并且证实了其具有更好的抗冲击防护效果。但是由于结构不同层的尺寸差异性大，不仅对制造加工提出了要求，还会导致结构在一定冲击下出现破坏失效，因而，专利“CN109163212”提出了一种带过渡层的梯度点阵结构，但是这种结构存在梯度点阵结构常见的节点连接弱化问题，尤其是在不同直径杆的汇交处。受载下，节点应力集中效应突出，极大地影响了整体结构的承载特性。
发明内容
本发明的目的是针对当前梯度结构中存在的接触弱化问题，提出一种新的梯度化策略，改善梯度结构连接处的结构突变问题。设计了具有密度和拓扑结构变化的梯度结构，在保证其具有高强度的承载能力的同时，提高其能量吸收能力，使得其具有更好的抗冲击特性。
本发明的基于增材制造的变体梯度点阵结构，包括重复层叠并相互连接的多个变体梯度点阵层；所述变体梯度点阵层包括重复排列并相互连接的多个变体梯度单胞列；所述变体梯度单胞列包括沿单一方向重复排列并相互连接的多个点阵单胞；所述点阵单胞由原始点阵单胞沿一个或多个方向进行尺寸延拓形成，尺寸延拓指的是尺寸伸长或缩短；所述变体梯度单胞列中的各个点阵单胞的一个或多个方向的尺寸是渐变的，进而形成梯度结构；而整个点阵结构中的各个单胞的杆径相同，因此，避免点阵结构相邻单胞的杆件连接处出现节点连接突变、性能弱化问题。
进一步，所述原始点阵单胞为体心立方单胞；当然此类结构设计单胞构型不局限于体心立方结构，同样适用于其余点阵结构单胞，并且梯度结构整体设计单胞数量与梯度层数也不限制于有限数量。通过对单胞结构尺寸与梯度点阵结构整体数量的调整可延拓至任意尺寸和任意层数。
进一步，所述变体梯度点阵层为7层；所述变体梯度单胞列为7列且各个变体梯度单胞列中的点阵单胞数量为7个；考虑到单胞排列数量对结构真实性能的影响，整个点阵结构的单胞数量为7×7×7。
进一步，考虑到增材制造工艺因素，选取原始点阵单胞的杆径为1mm，其空间尺寸为5mm×5mm×5mm；
进一步，所述点阵结构选用工程塑料PA2200为原料，采用激光烧结工艺制作；
进一步，所述激光烧结的激光功率为30w，扫描速度为5m/s，扫描间距60μm，粉末沉积厚度100μm。
本发明的有益效果为：
1.本梯度结构设计流程简易，可实现性强，不同于传统梯度结构局限于制造加工的尺寸限制，提高了其使用性。
2.本梯度结构不同层的连接更加平稳，较其他梯度结构，连接处不存在结构突变导致的性能弱化问题。
3.本梯度结构具有优良的力学性能，有着高承载特性和优异吸能能力，并且能实现密度与拓扑复杂规律变化的梯度结构设计。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明：
图1为原始点阵单胞(BCC)结构示意图；
图2为原始点阵单胞单向缩短后的单胞结构示意图；
图3为原始点阵单胞单向伸长后的单胞结构示意图；
图4为单向变体梯度点阵层的结构示意图；
图5为杆径梯度BCC结构单层示意图；
图6为几种点阵结构的仿真应力应变曲线；
图7为原始点阵单胞多向拓展后的单胞结构示意图；
图8为多向变体梯度点阵层的结构示意图；
图9为多向变体径向梯度化点阵结构的三维结构示意图。
具体实施方式
实施例一
本实施例公开了一种单向变体梯度点阵结构，其在传统均匀点阵结构的基础上，对单胞进行尺寸延拓，形成系列具有不同拓扑和相对密度的新单胞，再将其周期性排列形成不同层，最后组合形成具有密度梯度变化特性的梯度结构。由于此种梯度结构只是改变单胞尺寸，其杆径并未变动，使得结构不同层之间的连接更加平稳，解决了传统梯度结构的连接弱化问题，从而提高了结构的承载能力，且同时具备梯度结构特有的高吸能能力，为设计具有优良抗冲击特性的防护装置提供了参考。
如图1，选择点阵结构中常见的BCC结构作为原始点阵单胞，其具有开孔结构，拓扑简单，承载能力优良；通过将BCC结构单胞进行单方向上的尺寸延拓，实现了新的变体单胞结构设计，见图2和图3；该变体梯度点阵结构，包括重复层叠并相互连接的七个变体梯度点阵层；各层变体梯度点阵层包括重复排列并相互连接的七个变体梯度单胞列；各个变体梯度单胞列包括沿单一方向重复排列并相互连接的七个点阵单胞；所述点阵单胞由原始点阵单胞(BCC单胞)沿一个方向进行尺寸延拓形成。
考虑到增材制造工艺因素，选取原始模型BCC结构杆径为1mm，单胞尺寸为5×5×5mm3。通过变体获得的梯度BCC结构见图4。为了验证本实施例的点阵结构的力学形成，在此选取传统梯度结构中常见的杆径变化梯度结构作为对照，见图5，该点阵结构的底层最小杆径为0.5mm。考虑到点阵结构相对密度对其力学性能的影响，两种梯度点阵结构遵从相对密度统一的原则，即两种验证模型的结构相对密度相同。
本实施例采用归属于增材制造技术的激光烧结工艺制备相应样品进行分析验证，材料选择具有高成型质量和优良性能的工程塑料PA2200。本案例中激光功率为30W，扫描速度为5m/s，扫描间距60μm，粉末沉积厚度100μm，加工后的点阵样品去除多余粉末后不做其余额外处理。
对样品进行试验获得梯度点阵结构的准静态压缩响应。其压缩应力应变曲线见图6。通过分析梯度点阵结构的压缩响应，发现：单向变体梯度结构的杆变形模式既有弯曲变形，也有拉伸变形。在小应变阶段，其主要表现为弯曲变形，整体出现明显剪切带，有着更高的模量与强度。但是在大应变阶段，有着和杆径变化梯度结构一样的逐层压溃破坏形式，并且变体梯度结构的曲线稳定平台也证明了其在能量吸收上有着优势。因而，本实施例设计的梯度结构具有优异的承载能力和出众的能量吸收能力，在吸能、缓冲、抗冲击等应用上有着较大的应用前景。
实施例二
更进一步地，通过对结构多方向上的变体设计，能设计出更多更复杂变化规律的梯度结构，且保证节点连接的稳定可靠，解决了现有梯度结构不同层的节点连接问题。此外，利用增材制造技术的高自由度设计优势，对结构进行多向变体设计，获得的多向变体径向梯度化结构为骨植入体的仿生设计提供了新的参考。如图7,8,9，该变体梯度点阵结构，包括重复层叠并相互连接的四个变体梯度点阵层；各层变体梯度点阵层包括重复排列并相互连接的二十四个变体梯度单胞列；各个变体梯度单胞列包括沿单一方向重复排列并相互连接的四个点阵单胞；所述点阵单胞由原始点阵单胞(BCC单胞)沿两个方向进行尺寸延拓形成；如图7，本实施例中形成的变体梯度单胞列整体为四棱锥台结构，如图8所示二十四个变体梯度单胞列沿环向重复排列后形成圆环结构的变体梯度点阵层，四个上述变体梯度点阵层重复层叠后形成如图9所示的变体梯度点阵结构。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.基于增材制造的变体梯度点阵结构，其特征在于：包括重复层叠并相互连接的四个变体梯度点阵层；各层变体梯度点阵层包括重复排列并相互连接的二十四个变体梯度单胞列；各个变体梯度单胞列包括沿单一方向重复排列并相互连接的四个点阵单胞；所述点阵单胞由体心立方原始点阵单胞沿两个方向进行尺寸延拓形成的变体梯度单胞列整体为四棱锥台结构，二十四个变体梯度单胞列沿环向重复排列后形成圆环结构的变体梯度点阵层，四个上述变体梯度点阵层重复层叠后形成变体梯度点阵结构。
2.根据权利要求1所述的基于增材制造的变体梯度点阵结构，其特征在于:所述原始点阵单胞的杆径为1mm，其空间尺寸为5mm×5mm×5mm。
3.根据权利要求2所述的基于增材制造的变体梯度点阵结构，其特征在于:所述点阵结构选用工程塑料PA2200为原料，采用激光烧结工艺制作。
4.根据权利要求3所述的基于增材制造的变体梯度点阵结构，其特征在于:所述激光烧结的激光功率为30w，扫描速度为5m/s，扫描间距60μm，粉末沉积厚度100μm。
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