CN114247897A - 一种海上航行装置复合结构及其增材制造方法 - Google Patents

一种海上航行装置复合结构及其增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种海上航行装置复合结构及其增材制造方法，所述海上航行装置复合结构为通过构建海上航行装置的三维模型，在三维模型转换的可识别的数据命令基础上，利用电弧增材制造技术和熔融沉积成型技术制备的所得结构，该结构包括海上航行装置基体、海上航行装置内层和海上航行装置外层。本发明方法实现了重量轻、强度高、抗冲击、韧性和防腐性能强的海上航行装置制备。

Description

一种海上航行装置复合结构及其增材制造方法
技术领域
本发明涉及增材领域与船舶制造技术领域，特别涉及船体制造领域，具体而言，尤其涉及一种海上航行装置复合结构及其增材制造方法。
背景技术
海洋经济的发展给我们带来极大的经济利益，但是在海洋环境中服役的船只面临着许多严峻的考验。海上航行装置过重造成的能源消耗过快导致续航能力不足；结构设计造成的阻力过大导致船速受限；表层无缓冲层导致发生碰撞时变形严重；表面防腐效果不佳导致船舶腐蚀损坏；严重影响船只航行的稳定性与可靠性。
中国专利CN201410372458.X及CN201410372350.0中所涉及的钢板并没有减轻船体重量，焊接方式可靠性较差。船体减阻方面，非光滑表面减阻技术和超疏水表面减阻技术在实船上已有所应用，气泡减阻技术不稳定，主要运用于船模实验中，实船上鲜有运用。随着海洋事业的发展，船艇碰撞时有发生，现有船体运用的防撞方式效果并不显著，急需改进船体结构。现有的防腐措施中喷漆方式不稳定易脱落，电镀方式耗费时间长。
因此开发一种兼具结构轻量化，抗冲撞性良好，减阻与防腐与一体的海上航行装置至关重要。
发明内容
根据上述提出的现有船体运用的防撞方式效果并不显著，以及现有的防腐措施中喷漆方式不稳定易脱落，电镀方式耗费时间长的技术问题，而提供一种海上航行装置复合结构及其增材制造方法。本发明主要利用三维建模软件设计具有拓扑优化结构及仿生表面的海上航行装置，将模型转成STL文件后借助专业增材软件进行数据处理，转换成增材制造设备可以识别的数据命令。以铝合金为海上航行装置主体中间层，将铝合金粉末掺杂稀土元素制成混合粉末，采用电弧增材制造方式，根据软件输入命令逐步打印出铝合金海上航行装置基体。然后在铝合金基体上通过熔融沉积成型(FDM)的方式，使用以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)为主体，掺杂玻璃纤维制成的丝材继续打印海上航行装置内外层。海上航行装置外表面表面含仿生减阻结构。本发明方法实现了重量轻、强度高、抗冲击、韧性和防腐性能强的海上航行装置制备。
本发明采用的技术手段如下：
一种海上航行装置复合结构，为通过构建海上航行装置的三维模型，在三维模型转换的可识别的数据命令基础上，利用电弧增材制造技术和熔融沉积成型技术制备的所得结构。
进一步地，包括三层结构，第一层结构为置于中间层的海上航行装置基体，第二层结构为形成在海上航行装置基体上表面的海上航行装置内层，第三层结构为形成在海上航行装置基体下表面的海上航行装置外层。
进一步地，所述海上航行装置基体由铝合金掺杂特定比例稀土元素经同轴送丝电弧增材制造而成，为拓扑优化力学增强结构；所述海上航行装置内层和海上航行装置外层由玻璃纤维/ABS复合材料制成，所述海上航行装置外层的表皮为仿鲨鱼皮带沟槽的盾鳞结构。
本发明还提供了一种海上航行装置复合结构的增材制造方法，包括如下步骤：
S1、利用三维建模软件绘制采用拓扑优化结构的海上航行装置三维模型，将三维模型存储成STL文件格式；
S2、采用增材制造专业软件对STL文件进行处理，对海上航行装置模型自动生成支撑后进行切片处理，输出增材制造设备可识别的程序代码；
S3、利用机械球磨法制备铝合金粉末掺杂稀土元素的混合粉末，制成丝材后添加到电弧增材制造装置的送丝机构；
S4、以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯为主体，制备玻璃纤维增强复合丝材；
S5、将步骤S2得到的程序代码传到增材制造设备，利用步骤S3中制成的丝材，采用电弧增材制造技术，启动电弧增材制造装置开始工作，在基板上打印铝合金海上航行装置基体；
S6、铝合金海上航行装置基体打印完成后，利用熔融沉积成型技术，由熔融沉积成型装置使用步骤S4制备的玻璃纤维增强复合丝材打印海上航行装置内层；
S7、海上航行装置上部打印完成后将海上航行装置翻转重新装夹，继续用熔融沉积成型装置使用步骤S4制备的玻璃纤维增强复合丝材打印海上航行装置外层；
S8、整个海上航行装置加工完成后，在整个海上航行装置表面添加环氧树脂涂层，获得海上航行装置复合结构。
进一步地，所述步骤S1中，打印的铝合金海上航行装置基体带有拓扑优化结构，拓扑优化结构为多孔微结构或点阵结构，多孔微结构包括基于杆特征的单胞，和基于曲面特征的单胞。
进一步地，所述步骤S3中，球磨法的具体工艺为：铝合金粉末和稀土元素按一定比例混合后真空密封在球磨罐里，并以惰性气体氩气填充，球料质量比为1:1-10:1，转速设定为50-500rpm/min，采用转动20min，停止冷却10min的交替循环的方式进行球磨，总时长为2-8h。
进一步地，所述步骤S3中，铝合金粉末的化学成分为：Si：9-11％，Mg：0.3-0.7％，Fe：0.1-0.5％，Cu：0.05-0.3％，Zn：0.01-0.05％，Mn：0.01-0.05％，其余为Al；
稀土元素为钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)或铒(Er)，以氧化物形式添加，可为Sc2O3、Y2O3、La2O3或CeO2，稀土元素在铝合金混合粉末中的质量分数为0.01-0.5％。
进一步地，所述步骤S4中，玻璃纤维增强复合丝材以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯为主体，掺杂的玻璃纤维含量为10-40％。
进一步地，所述步骤S5中，电弧增材制造装置中采用纯度为99.99％的氩气作为保护气体，气体流量为5-25L/min，焊接速率为150-400mm/min，送丝速率为0.5-3m/min，基板进行预热，温度范围为40-100℃。
进一步地，所述步骤S6和步骤S7中，熔融沉积成型装置的参数如下：熔融温度为200-250℃，层厚为0.05-0.3mm，打印速度为20-60mm/s，打印平台预热温度30-60℃；
所述步骤S7中，打印的海上航行装置外层的表面具有仿生减阻微结构，所述仿生减阻微结构为仿鲨鱼皮带沟槽的盾鳞结构。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的海上航行装置复合结构及其增材制造方法，制备的海上航行装置复合结构重量轻，强度高：铝合金的密度约为2.7g/cm3，是钢的1/3，而且具有良好的耐腐蚀耐磨性、抗拉与抗压强度，掺杂稀土元素后韧性及抗冲击性还会进一步改善。拓扑优化结构可以在保证抗压性能的同时进一步减轻海上航行装置质量。
2、本发明提供的海上航行装置复合结构及其增材制造方法，制备的海上航行装置复合结构阻力小：海上航行装置外表面加工仿鲨鱼皮带沟槽的盾鳞结构，阻力可以减少3％-10％。
3、本发明提供的海上航行装置复合结构及其增材制造方法，制备的海上航行装置复合结构防腐蚀性能好：在海上航行装置外表面添加环氧树脂涂层，分子紧密结合，防护性能提高；同时仿生结构拥有疏水性，也可以改进海上航行装置的防腐性能。
4、本发明提供的海上航行装置复合结构及其增材制造方法，制备的海上航行装置复合结构韧性增强：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Acrylonitrile Butadiene Styrene，ABS树脂)具有较好的韧性、耐磨性较强、化学性质稳定等特点，使它成为增材最常用的工程塑料之一。海上航行装置外部由玻璃纤维/ABS复合材料制成，适合用于制造船体缓冲层，提高船体韧性。
5、本发明提供的海上航行装置复合结构及其增材制造方法，制备的海上航行装置复合结构稳定性好：海上航行装置由增材制造工艺一体化制造而成，整个海上航行装置无焊缝，安全性与稳定性更好。
综上，应用本发明的技术方案能够解决现有船体运用的防撞方式效果并不显著，以及现有的防腐措施中喷漆方式不稳定易脱落，电镀方式耗费时间长的问题。
基于上述理由本发明可在增材制造、船舶制造、船体制造等领域广泛推广。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明海上航行装置整体结构示意图。
图2为本发明放大的海上航行装置外层表皮仿鲨鱼皮盾鳞结构。
图中：1、海上航行装置内层；2、海上航行装置基体；3、海上航行装置外层。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
本发明提供了一种海上航行装置复合结构的增材制造方法，该制造方法的具体步骤如下：
(1)利用三维建模软件绘制采用拓扑优化结构的海上航行装置三维模型，将三维模型存储成STL文件格式；
(2)采用Magics等增材制造专业软件对STL文件进行处理，对海上航行装置模型自动生成支撑后进行切片，输出增材制造设备可识别的程序代码；
(3)利用机械球磨法制备铝合金粉末掺杂稀土元素的混合粉末，制成丝材后添加到电弧增材制造装置的送丝机构；
(4)以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)为主体，制备玻璃纤维增强复合丝材；
(5)将程序代码传到增材制造设备，电弧增材制造装置开始工作，在基板上打印带拓扑优化结构的铝合金海上航行装置基体；
(6)铝合金海上航行装置基体打印完成后由熔融沉积成型(FDM)装置使用玻璃纤维/ABS复合丝材打印海上航行装置内层；
(7)海上航行装置上部打印完成后将海上航行装置翻转重新装夹，继续用熔融沉积成型(FDM)装置打印表面带仿生减阻微结构的海上航行装置外层；
(8)在整个海上航行装置表面添加环氧树脂涂层。
所述步骤(1)中的拓扑优化结构包括但不限于多孔微结构/点阵结构，多孔微结构包含基于杆特征的单胞，和基于曲面特征的单胞。
所述步骤(3)中的铝合金粉末，其化学成分为：Si：9-11％，Mg：0.3-0.7％，Fe：0.1-0.5％，Cu：0.05-0.3％，Zn：0.01-0.05％，Mn：0.01-0.05％，其余为Al。
所述步骤(3)中的稀土元素包括但不限于钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、铒(Er)等，主要以氧化物形式添加，例如：Sc2O3、Y2O3、La2O3、CeO2，稀土元素在铝合金混合粉末中的质量分数为0.01-0.5％。
所述步骤(4)中的玻璃纤维增强复合丝材以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)为主体，掺杂的玻璃纤维含量为10-40％。
所述步骤(5)中的电弧增材制造装置，采用纯度为99.99％的氩气作为保护气体，气体流量为5-25L/min，焊接速率为150-400mm/min，送丝速率为0.5-3m/min，基板进行预热，温度范围为40-100℃。
所述步骤(6)和步骤(7)中熔融沉积成型(FDM)装置的参数如下：熔融温度为200-250℃，层厚为0.05-0.3mm，打印速度为20-60mm/s，打印平台预热温度30-60℃。
所述步骤(7)中的表面仿生减阻微结构为仿鲨鱼皮带沟槽的盾鳞结构。
实施例1
结合图1海上航行装置主要由海上航行装置基体2、海上航行装置内层1和海上航行装置外层3组成，海上航行装置基体2置于中间，海上航行装置内层1包覆在海上航行装置基体2的上方，海上航行装置外层3包覆在海上航行装置基体2的下方。海上航行装置基体2由铝合金掺杂特定比例稀土元素经同轴送丝电弧增材制造而成，海上航行装置基体2为拓扑优化力学增强结构，海上航行装置内层1和海上航行装置外层3由玻璃纤维/ABS复合材料制成，海上航行装置外层3的表皮为仿鲨鱼皮带沟槽的盾鳞结构，如图2所示。
用于制备上述海上航行装置复合结构的增材制造方法，具体步骤如下：
(1)利用三维建模软件绘制整个海上航行装置的空间模型，包括多孔微结构/点阵结构拓扑优化结构，建模完成之后转成STL文件存储；
(2)采用Magics等增材制造专业软件对STL文件进行处理，自动生成支撑后切片处理，生成增材制造设备可以识别的程序代码；
(3)利用球磨法制备铝合金粉末掺杂稀土元素的混合粉末，采用的球磨工艺为：铝合金粉末和稀土元素按一定比例混合后真空密封在球磨罐里，并以惰性气体氩气填充。球料质量比为1:1-10:1，转速设定为50-500rpm/min。为避免温度过高，采用“转动20min，停止冷却10min”交替循环的球磨方式，总时长为2-8h 6h；
(4)以掺杂钪(Sc)为例，铝合金混合粉末，其化学成分为：Si：9-11％，Mg：0.3-0.7％，Fe：0.1-0.5％，Cu：0.05-0.3％，Zn：0.01-0.05％，Mn：0.01-0.05％，Sc：0.01-0.5％，其余为Al，而后将混合粉末制成丝材；
(5)以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)为主体，制备玻璃纤维增强复合丝材，掺杂玻璃纤维含量为10-40％，将干燥后的ABS树脂、玻璃纤维按一定质量配比在高速混合机中混合均匀，然后在同向双螺杆挤出机上挤出造粒(主机螺杆转速为180-220r/min，温度为200-230℃)；
(6)将程序代码上传到增材制造设备，将成型平台上基板预热到40-100℃；
(7)海上航行装置基体2由电弧增材制造装置加工，采用纯度为99.99％的氩气作为保护气体，气体流量为5-25L/min，焊接速率为150-400mm/min，送丝速率为0.5-3m/min；
(8)海上航行装置基体2加工完成进行粗略打磨后换由熔融沉积成型(FDM)装置加工海上航行装置内层1，加工参数如下：熔融温度为200-250℃，层厚为0.05-0.3mm，打印速度为20-60mm/s；
(9)海上航行装置内层1加工完成后将海上航行装置与基板分开，翻转并重新装夹，继续由熔融沉积成型(FDM)装置加工海上航行装置外层3，需要特别指出的是海上航行装置外层3的表皮为仿鲨鱼皮带沟槽的盾鳞结构；
(10)整个海上航行装置加工完成后，在海上航行装置表面添加环氧树脂涂层，增强防腐蚀性能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种海上航行装置复合结构，其特征在于，为通过构建海上航行装置的三维模型，在三维模型转换的可识别的数据命令基础上，利用电弧增材制造技术和熔融沉积成型技术制备的所得结构。
2.根据权利要求1所述的海上航行装置复合结构，其特征在于，包括三层结构，第一层结构为置于中间层的海上航行装置基体，第二层结构为形成在海上航行装置基体上表面的海上航行装置内层，第三层结构为形成在海上航行装置基体下表面的海上航行装置外层。
3.根据权利要求2所述的海上航行装置复合结构，其特征在于，所述海上航行装置基体由铝合金掺杂特定比例稀土元素经同轴送丝电弧增材制造而成，为拓扑优化力学增强结构；所述海上航行装置内层和海上航行装置外层由玻璃纤维/ABS复合材料制成，所述海上航行装置外层的表皮为仿鲨鱼皮带沟槽的盾鳞结构。
4.一种如权利要求1-3任意一项权利要求所述的海上航行装置复合结构的增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、利用三维建模软件绘制采用拓扑优化结构的海上航行装置三维模型，将三维模型存储成STL文件格式；
S2、采用增材制造专业软件对STL文件进行处理，对海上航行装置模型自动生成支撑后进行切片处理，输出增材制造设备可识别的程序代码；
S3、利用机械球磨法制备铝合金粉末掺杂稀土元素的混合粉末，制成丝材后添加到电弧增材制造装置的送丝机构；
S4、以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯为主体，制备玻璃纤维增强复合丝材；
S5、将步骤S2得到的程序代码传到增材制造设备，利用步骤S3中制成的丝材，采用电弧增材制造技术，启动电弧增材制造装置开始工作，在基板上打印铝合金海上航行装置基体；
S6、铝合金海上航行装置基体打印完成后，利用熔融沉积成型技术，由熔融沉积成型装置使用步骤S4制备的玻璃纤维增强复合丝材打印海上航行装置内层；
S7、海上航行装置上部打印完成后将海上航行装置翻转重新装夹，继续用熔融沉积成型装置使用步骤S4制备的玻璃纤维增强复合丝材打印海上航行装置外层；
S8、整个海上航行装置加工完成后，在整个海上航行装置表面添加环氧树脂涂层，获得海上航行装置复合结构。
5.根据权利要求3所述的海上航行装置复合结构的增材制造方法，其特征在于，所述步骤S1中，打印的铝合金海上航行装置基体带有拓扑优化结构，拓扑优化结构为多孔微结构或点阵结构，多孔微结构包括基于杆特征的单胞，和基于曲面特征的单胞。
6.根据权利要求3所述的海上航行装置复合结构的增材制造方法，其特征在于，所述步骤S3中，球磨法的具体工艺为：铝合金粉末和稀土元素按一定比例混合后真空密封在球磨罐里，并以惰性气体氩气填充，球料质量比为1:1-10:1，转速设定为50-500rpm/min，采用转动20min，停止冷却10min的交替循环的方式进行球磨，总时长为2-8h。
7.根据权利要求3或6所述的海上航行装置复合结构的增材制造方法，其特征在于，所述步骤S3中，铝合金粉末的化学成分为：Si：9-11％，Mg：0.3-0.7％，Fe：0.1-0.5％，Cu：0.05-0.3％，Zn：0.01-0.05％，Mn：0.01-0.05％，其余为Al；
稀土元素为钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)或铒(Er)，以氧化物形式添加，可为Sc2O3、Y2O3、La2O3或CeO2，稀土元素在铝合金混合粉末中的质量分数为0.01-0.5％。
8.根据权利要求3所述的海上航行装置复合结构的增材制造方法，其特征在于，所述步骤S4中，玻璃纤维增强复合丝材以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯为主体，掺杂的玻璃纤维含量为10-40％。
9.根据权利要求3所述的海上航行装置复合结构的增材制造方法，其特征在于，所述步骤S5中，电弧增材制造装置中采用纯度为99.99％的氩气作为保护气体，气体流量为5-25L/min，焊接速率为150-400mm/min，送丝速率为0.5-3m/min，基板进行预热，温度范围为40-100℃。
10.根据权利要求3所述的海上航行装置复合结构的增材制造方法，其特征在于，所述步骤S6和步骤S7中，熔融沉积成型装置的参数如下：熔融温度为200-250℃，层厚为0.05-0.3mm，打印速度为20-60mm/s，打印平台预热温度30-60℃；
所述步骤S7中，打印的海上航行装置外层的表面具有仿生减阻微结构，所述仿生减阻微结构为仿鲨鱼皮带沟槽的盾鳞结构。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN101513760A (zh) * 2008-02-22 2009-08-26 鲁毅 一种复制鲨鱼皮表面微形结构的制备方法
US20160152314A1 (en) * 2014-12-01 2016-06-02 Raytheon Company Composite Structural Component
US20200023584A1 (en) * 2017-10-03 2020-01-23 California Institute Of Technology Fabrication and design of composites with architected layers
US20200108893A1 (en) * 2018-10-03 2020-04-09 Adam Jon Noah Additive manufactured water resistant closed-cell lattice structure for marine hull cavities

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101513760A (zh) * 2008-02-22 2009-08-26 鲁毅 一种复制鲨鱼皮表面微形结构的制备方法
US20160152314A1 (en) * 2014-12-01 2016-06-02 Raytheon Company Composite Structural Component
US20200023584A1 (en) * 2017-10-03 2020-01-23 California Institute Of Technology Fabrication and design of composites with architected layers
US20200108893A1 (en) * 2018-10-03 2020-04-09 Adam Jon Noah Additive manufactured water resistant closed-cell lattice structure for marine hull cavities

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