CN114619050B - 周期性结构、隔热结构和增材制造方法 - Google Patents

周期性结构、隔热结构和增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种周期性结构、隔热结构和增材制造方法，所述周期性结构为三周期极小曲面结构，所述周期性结构包括若干周期性排布的晶格单胞，所述晶格单胞具有多个沿不同方向设置的支撑杆，所述支撑杆呈锥体设置，所述周期性结构的至少一边界面为由若干所述锥体底面构成的点阵面，所述若干锥体底面均匀地分布在所述周期性结构的边界面上。本发明提供的周期性结构的至少一边界面为由若干锥体底面构成的点阵面，由此可以有效增大导热的均匀性，同时截面大小反复交替的结构也能够保证热量不易散出。此外，本发明还可以在受力表面获得更均匀的效果。

Description

周期性结构、隔热结构和增材制造方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种周期性结构、隔热结构和增材制造方法。
背景技术
增材制造是现代先进制造领域的一个重要分支，是以丝状、粉末和液体为原材料，在计算机三维数据模型基础上，以高能束(激光、电弧或电子束等)为工具，在软件和数控***的控制下，将材料融化并逐层堆积来制造高性能金属构件的制造技术。现有技术中的金属3D打印装置常用的技术按热源和材料区分，包括激光选区熔化技术(SelectiveLaserMelting，简称SLM)、电子束选区熔化技术(ElectronBeam Selective Melting，简称EBSM)、激光立体成型技术(Laser Solid Forming，简称LSF)、电子束熔丝沉积技术(Electron Beam Freeform Fabrication,简称EBFF)及电弧增材制造技术(WireandArcAdditive Manufacturing，简称WAAM)。
一方面，为进一步提高零件设计的性能如轻量化、高强度等复合需求，另一方面，同时持续发挥新型增材料制造技术的优势，持续提高增材料加工效率，而3D打印全部实心的零件是一件效率极为低下的事情。因而，研究和探索小尺寸、微观尺寸(0.1mm-10mm)的晶格材料和结构的设计成为各大研究机构和大学的新热点。
现有商业3D打印软件如Materialise公司Magics 21.0的3D打印软件所公布和提供的一些基于桁架支撑结构的周期性结构lattice，其特征表现为基于多边形结构的顶点和边线，生成单元结构模块，最终零件通过在三维空间重复生成周期性的单元结构模块，外部采用封闭式或开发式模型。如图1a至1d所示，其中图1a为5×5×5周期的基于正方体的周期性晶格结构；图1b为5×5×5周期的基于45度正方体的周期性结构；图1c为5×5×5周期的基于正十二面体的周期性晶格结构；图1d为5×5×5周期的基于正二十四面体的周期性晶格结构。
更先进的方法，如WO2019032449A1所公开的基于三周期极小曲面的晶格模型的生成方法，其中已对典型的周期性函数如Schoen Gyroid和Schwarz P和Schwarz D型隐函数加以说明和举例，其在同等材料及体密度的条件下，其结构体现了更优越的强度。
然而，传统的Schwarz D型和Schoen Gyroid三周期极小曲面在强度性能表现优越，但在边界面上表现并不均匀，如Schwarz D型在边界上体现为45度的等宽斜线，而Schoen Gyroid表现为Sin和Cos三角函数至轴线的积分。
发明内容
本发明的目的在于提供一种周期性结构、隔热结构和增材制造方法，可以解决现有的Schwarz D型和Schoen Gyroid三周期极小曲面在边界面上表现不均匀的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种周期性结构，所述周期性结构为三周期极小曲面结构，所述周期性结构包括若干周期性排布的晶格单胞，所述晶格单胞具有多个沿不同方向设置的支撑杆，所述支撑杆呈锥体设置，所述周期性结构的至少一边界面为由若干所述锥体底面构成的点阵面，所述若干锥体底面均匀地分布在所述周期性结构的边界面上。
可选的，所述周期性结构的每一边界面均为由若干所述锥体底面构成的点阵面。
可选的，所述周期性结构满足如下三周期极小曲面方程：
sin(x)sin(y)sin(z)+cos(x)cos(y)cos(z)＝K；
其中，sin为三角正弦函数，cos为三角余弦函数，x、y、z为三维空间中某一点的三坐标值，K为常数项。
可选的，所述K的取值范围为[-π/2，π/2]。
可选的，所述周期性结构的边界面包括由若干所述锥体的截面组成的线阵面，所述线阵面在所述周期性结构的边界上相对设置。
可选的，所述周期性结构满足如下方程：
cos(y)sin(x-z)+sin(y)sin(x+z)＝K；
其中，sin为三角正弦函数，cos为三角余弦函数，x、y、z为三维空间中某一点的三坐标值，K为常数项。
可选的，所述K的取值范围为[-π/2，π/2]。
可选的，所述周期性结构中的所述锥体包括顶端和底面，所述周期性结构中任意相邻的两个锥体均为顶端相对设置或底面相对设置。
本发明还提供一种隔热结构，所述隔热结构包括若干如上文所述的周期性结构，其中每相邻的两个底端相连的锥体形成一储热单元；每相邻的两个所述锥体的顶端连接处形成一隔热区。
本发明还提供一种增材制造方法，所述方法包括：
选择三周期极小曲面方程，并根据所述三周期极小曲面方程生成三周期极小曲面模型，所述三周期极小曲面模型包括若干上文所述的周期性结构；
生成待制造零件的实体模型；
根据所述三周期极小曲面模型和所述实体模型，生成实体晶格模型；以及
根据所述实体晶格模型，进行零件的增材制造。
可选的，所述根据所述三周期极小曲面方程生成三周期极小曲面模型的方法包括：
确定所述三周期极小曲面的方程参数；
根据所述方程参数并进行实体化，生成单周期晶格模型；以及
根据所述单周期晶格模型生成三周期极小曲面模型。
可选的，所述根据所述三周期极小曲面模型和所述实体模型，生成实体晶格模型的方法包括：
确定所述实体模型进入晶格结构的生成方式；以及
对所述三周期极小曲面模型和所述实体模型进行布尔运算并进行离散化处理以生成实体晶格模型。
可选的，在生成实体晶格模型后，所述方法还包括：
对所述实体晶格模型进行局部处理和/或添加细节。
可选的，所述根据所述实体晶格模型，进行零件的增材制造的方法包括：
对所述实体晶格模型进行切片处理，以获取切片数据；
确定增材制造的工艺参数；以及
根据所述切片数据和所述工艺参数，完成零件的增材制造。
与现有技术相比，本发明提供的周期性结构、隔热结构和增材制造方法具有以下优点：
(1)由于本发明提供的周期性结构的至少一边界面为由若干锥体底面构成的点阵面，由此可以有效增大导热的均匀性，同时截面大小反复交替的结构也能够保证热量不易散出。此外，由于所述若干锥体底面均匀地分布在所述周期性结构的边界面上，由此可以使得所述周期性结构在受力表面获得更均匀的效果。
(2)由于本发明提供的隔热结构包括若干如上文所述的周期性结构，由此可以使得本发明提供的隔热结构具有优良的导热均匀性和隔热效果，且在受力表面能够获得更均匀的效果。
(3)由于本发明提供的增材制造方法，通过采用上文所述的周期性结构作为零件的支撑结构，由此，通过采用本发明提供的增材制造方法制造出来的零件具有优良的导热均匀性和隔热效果，且在受力表面能够获得更均匀的效果。
附图说明
图1a为基于正方体的周期性晶格结构；
图1b为基于45度正方体的周期性晶格结构；
图1c为基于正十二面体的周期性晶格结构示意图；
图1d为基于正二十四面体的周期性晶格结构示意图；
图2为本发明第一种实施方式中的周期性结构的示意图；
图3为图2所示的周期性结构中的晶格单胞的结构示意图；
图4为本发明第二种实施方式中的周期性结构的示意图；
图5为本发明一实施方式中的增材制造方法的流程图；
图6为本发明一实施方式中的实体晶格模型及其局部放大结构示意图。
其中，附图标记如下：
支撑杆-101；连接面-102；主体部-103；连接部-104。
具体实施方式
以下结合附图2至6和具体实施方式对本发明提出的周期性结构、隔热结构和增材制造方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
本发明的核心思想在于提供一种周期性结构、隔热结构和增材制造方法，以解决现有的Schwarz D型和Schoen Gyroid三周期极小曲面在边界面上表现不均匀的问题。
为实现上述思想，本发明提供一种周期性结构，所述周期性结构为三周期极小曲面结构。极小曲面的描述在数学上有两种方式，分别是从面积的角度和曲率的角度去描述它。从面积的角度去描述，极小曲面指的是满足所有外部约束条件下的面积最小的曲面(约束条件可以是曲面的周长信息，一些外部的受力工况等等因素)，因此从面积的部分可以看出极小曲面具有卓越的物理性能；从曲率的角度去描述，极小曲面指的是平均曲率为0的曲面，平均曲率的定义为一个在空间中的某点，它在任何一个曲面上肯定会有一个曲率的最大值以及曲率的最小值，这两个曲率值称之为这个点在某个曲面上的主曲率，而平均曲率则是主曲率的平均数，如果空间上某个曲面表面所有点的平均曲率都为0则这个曲面称之为极小曲面。三周期极小曲面可以看成是周期性的极小曲面函数。“三周期”指的是它在欧式空间沿着X轴、Y轴、Z轴方向的曲面形状都呈现出周期性变化的特点。由于三周期极小曲面具有多孔性、光滑性、连通性、多样性及可控性等诸多优点，因此其在同等材料及密度的条件下，具有更优越的强度。
所述周期性结构包括若干周期性排布的晶格单胞，所述晶格单胞具有多个沿不同方向设置的支撑杆，所述支撑杆呈锥体设置，所述周期性结构的至少一边界面为由若干所述锥体底面构成的点阵面，所述若干锥体底面均匀地分布在所述周期性结构的边界面上。由于本发明提供的周期性结构的至少一边界面为由若干锥体底面构成的点阵面，由此可以有效增大导热的均匀性，同时截面大小反复交替的结构也能够保证热量不易散出。此外，由于所述若干锥体底面均匀地分布在所述周期性结构的边界面上，由此可以使得本发明提供的周期性结构在受力表面获得更均匀的效果。
优选的，所述周期性结构中的所述锥体包括顶端和底面，所述周期性结构中任意相邻的两个锥体均为顶端相对设置或底面相对设置。即所述周期性结构中的支撑杆包括顶端和底面，所述周期性结构中任意相邻的两个支撑杆均为顶端相对设置或底面相对设置。
优选的，在一些实施方式中，所述周期性结构的每一边界面均为为由若干所述锥体底面构成的点阵面。
优选的，所述周期性结构满足如下三周期极小曲面方程：
sin(x)sin(y)sin(z)+cos(x)cos(y)cos(z)＝K (1)
其中，sin为三角正弦函数，cos为三角余弦函数，x、y、z为三维空间中某一点的三坐标值，K为常数项。通过改变常数项K的大小，可以改变支撑杆的平均直径大小，并控制空隙的直径大小。
优选的，所述K的取值范围为[-π/2，π/2]。
请参考图2和图3，其中图2示意性地给出了本发明第一种实施方式中的周期性结构的示意图，即满足三周期极小曲面方程(1)的周期性结构的示意图；图3示意性地给出了图2所示的周期性结构中的晶格单胞的结构示意图。如图3所示，所述晶格单胞包括截面呈正四面体设置的主体部103，主体部103的四个顶点处分别连有一截面大体上为正三角形的连接部104，所述连接部104的三个顶点处分别连有一呈锥体设置的支撑杆101，其中所述支撑杆101的自由端设有一对相互正交的用于与其他晶格单胞相连的连接面102(即锥体底面)。如图2所示，所述周期性结构沿X轴、Y轴和Z轴均包括两个如图3所述的晶格单胞，所述周期性结构的六个边界面均为由多个所述锥体底面构成的点阵面，且所述多个锥体底面均匀地分布在所述周期性结构的边界面上。本实施方式提供的周期性结构可以有效增大导热的均匀性，同时截面大小反复交替的结构也能够保证热量不易散出。此外，由于所述多个锥体底面均匀地分布在所述周期性结构的边界面上，由此可以使得本发明提供的周期性结构在受力表面获得更均匀的效果。需要说明的是，本文给出的是2×2×2周期的周期性结构的示意图，本领域技术人员应该能够理解，所述周期性结构可以包括为任意周期，即所述周期性结构可以在X向、Y向和Z向无限延伸，本发明对此并不进行限制。
优选的，在一些实施方式中，所述周期性结构的边界面包括由若干所述锥体的截面组成的线阵面，所述线阵面在所述周期性结构的边界上相对设置。
优选的，所述周期性结构满足如下三周期极小曲面方程：
cos(y)sin(x-z)+sin(y)sin(x+z)＝K (2)
其中，sin为三角正弦函数，cos为三角余弦函数，x、y、z为三维空间中某一点的三坐标值，K为常数项。通过改变常数项K的大小，可以改变支撑杆的平均直径大小，并控制空隙的直径大小。
优选的，所述K的取值范围为[-π/2，π/2]。
请参考图4，其示意性地给出了本发明第二种实施方式的周期性结构的示意图，即满足三周期极小曲面方程(2)的周期性结构的示意图。如图4所示，所述周期性结构沿X轴、Y轴和Z轴均包括两个支撑杆101呈锥体设置的晶格单胞，所述支撑杆101的连接面102为锥体底面，所述周期性结构的前、后两个边界面均为由多个所述锥体的截面组成的线阵面，所述周期性结构的左、右以及上、下四个边界面均为由多个所述锥体底面构成的点阵面，且所述多个锥体底面均匀地分布在所述周期性结构的边界面上。本实施方式提供的周期性结构可以有效增大导热的均匀性，同时截面大小反复交替的结构也能够保证热量不易散出。此外，由于所述多个锥体底面均匀地分布在所述周期性结构的边界面上，由此可以使得本发明提供的周期性结构在受力表面获得更均匀的效果。需要说明的是，本文给出的是2×2×2周期的周期性结构的示意图，本领域技术人员应该能够理解，所述周期性结构可以包括为任意周期，即所述周期性结构可以在X向、Y向和Z向无限延伸，本发明对此并不进行限制。
为实现上述思想，本发明还提供一种隔热结构，所述隔热结构包括若干如上文所述的周期性结构，其中：每相邻的两个底端相连的锥体形成一储热单元；每相邻的两个所述锥体的顶端连接处形成一隔热区。由于本发明提供的隔热结构包括若干上文所述的周期性结构，且每相邻的两个底端相连的锥体形成一储热单元；每相邻的两个所述锥体的顶端连接处形成一隔热区，由此此种结构设置既可以增大导热的均匀性，同时也能够保证热量不易散出，从而使得本发明提供的隔热结构具有优良的导热均匀性和隔热效果，且在受力表面能够获得更均匀的效果。
为实现上述思想，本发明还提供一种增材制造方法，请参考图5，其示意性地给出了本发明一实施方式提供的增材制造方法的流程图。如图5所示，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：选择三周期极小曲面方程，并根据所述三周期极小曲面方程生成三周期极小曲面模型。
其中，所述三周期极小曲面模型包括若干上文所述的周期性结构，即通过本步骤生成的三周期极小曲面包括若干周期性排布的晶格单胞，所述晶格单胞具有多个沿不同方向设置的支撑杆，所述支撑杆呈锥体设置，所述周期性结构的至少一边界面为由若干所述锥体底面构成的点阵面，所述若干锥体底面均匀地分布在所述周期性结构的边界面上。由于，所述周期性结构将由若干锥体底面构成的点阵作面为接触面，从而可以有效增大导热的均匀性，同时截面大小反复交替的结构也能够保证热量不易散出。此外，由于所述多个锥体底面均匀地分布在所述周期性结构的边界面上，由此可以使得所述周期性结构在受力表面获得更均匀的效果。
在一些实施方式中，本步骤所选择的三周期极小曲面方程可以为：
sin(x)sin(y)sin(z)+cos(x)cos(y)cos(z)＝K (1)
其中，sin为三角正弦函数，cos为三角余弦函数，x、y、z为三维空间中某一点的三坐标值，K为常数项。通过改变常数项K的大小，可以改变支撑杆的平均直径大小，并控制空隙的直径大小。
其中，所述K的取值范围为[-π/2，π/2]。
在其他一些实施方式中，本步骤所选择的三周期极小曲面方程还可以为：
cos(y)sin(x-z)+sin(y)sin(x+z)＝K (2)
其中，sin为三角正弦函数，cos为三角余弦函数，x、y、z为三维空间中某一点的三坐标值，K为常数项。通过改变常数项K的大小，可以改变支撑杆的平均直径大小，并控制空隙的直径大小。
优选的，在本步骤中，所述根据所述三周期极小曲面方程生成三周期极小曲面模型的方法可包括：
确定所述三周期极小曲面的方程参数；
根据所述方程参数并进行实体化，生成单周期晶格模型；以及
根据所述单周期晶格模型生成三周期极小曲面模型。
其中，所述方程参数包括K值的大小、孔隙率、周期系数及晶格大小。所述三周期极小曲面模型的文件格式可以是STL、IGES或STEP。可以采用数学软件Wolfram进行实体化以生成单周期晶格模型。
步骤S2：生成待制造零件的实体模型。
所述待制造零件的实体模型可以采用现有技术中的三维软件进行生成，本发明对此不再进行详细描述。需要说明的是，步骤S1和步骤S2的顺序可以互换，即步骤S1可以在步骤S2之前执行，也可以在步骤S2之后执行，还可以与步骤S2同时执行，本发明对此并不进行限制。
步骤S3：根据所述三周期极小曲面模型和所述实体模型，生成实体晶格模型。
根据所述实体模型，可以确定所要生成的实体晶格模型的边界。
请参考图6，其示意性地给出了本发明一实施方式中的实体晶格模型及其局部放大结构示意图。如图6所示，所述实体晶格模型由多组晶格单胞组成，所述晶格单胞包括多个沿不同方向设置的支撑杆101，所述支撑杆101呈锥体设置，所述支撑杆101的连接面102为锥体的底面，所述实体晶格模型的至少一边界面为由多个所述支撑杆的锥体底面构成的点阵面。
优选的，本步骤又具体包括如下步骤：
确定所述实体模型进入晶格结构的生成方式；以及
对所述三周期极小曲面模型和所述实体模型进行布尔运算并进行离散化处理以生成实体晶格模型。
其中，所述实体模型进入晶格结构的生成方式包括开放式和封闭式，其中开放式为全部实体区域均进行晶格生成；封闭式为在全部实体边界区域留有一层实体壳体，在壳体以内的区域进行晶格生成。离散化处理的相关算法包括Delaunay三角剖分或Voronoi网络划分。
步骤S4：根据所述实体晶格模型，进行零件的增材制造。
优选的，本步骤又具体包括如下步骤：
对所述实体晶格模型进行切片处理，以获取切片数据；
确定增材制造的工艺参数；以及
根据所述切片数据和所述工艺参数，完成零件的增材制造。
具体地，可以采用现有的切片软件完成对实体模型的切片处理。在本发明中可以选择水平向布置切片，也可选择竖向布置切片。
在进行切片处理之前，先对切片软件平台进行设定，例如置入工艺参数及扫描方式；确定生长方向，设置好支撑。可应用于本发明中的增材制造的材料为不锈钢、钛合金、铝合金等金属材料，也可以为塑料、尼龙树脂等非金属材料。本发明中的增材制造可以在现有的增材制造设备中进行，例如德国EOS等，采用的加工方法可以包括SLM(激光选区熔化技术)、EBSM(电子束选区熔化技术)、LSF(激光立体成型技)、FDM(工艺熔融沉积制造)、EBFF(电子束熔丝沉积技术)、WAAM(电弧增材制造技术)、SLS(选择性激光烧结)等。
优选的，本发明中的增材制造可以在惰性气体的保护下进行，当零件成形后，可以对零件上的松装粉末进行吹除，使用线切割分离基板和零件，对零件进行喷砂处理，采用超声波进行清洗，以及对零件的外表面进行电化学腐蚀、镀膜或镀金属处理。
优选的，在执行步骤S4之前，所述方法还包括对所述实体晶格模型进行局部处理和/或添加细节。其中局部处理包括局部加强或减薄；添加细节包括加倒角、倒圆、加工艺孔、加螺纹孔等等。
则对应的步骤S4为：根据进行局部处理和/或添加细节后的实体晶格模型，进行零件的增材制造。
综上所述，由于本发明提供的增材制造方法，通过采用上文所述的周期性结构作为零件的支撑结构，由此，通过采用本发明提供的增材制造方法制造出来的零件具有优良的导热均匀性和隔热效果，且在受力表面能够获得更均匀的效果。
综上所述，与现有技术相比，本发明提供的周期性结构、隔热结构和增材制造方法具有以下优点：
(1)由于本发明提供的周期性结构的至少一边界面为由若干锥体底面构成的点阵面，由此可以有效增大导热的均匀性，同时截面大小反复交替的结构也能够保证热量不易散出。此外，由于所述若干锥体底面均匀地分布在所述周期性结构的边界面上，由此可以使得所述周期性结构在受力表面获得更均匀的效果。
(2)由于本发明提供的隔热结构包括若干上文所述的周期性结构，由此本发明提供的隔热结构具有优良的导热均匀性和隔热效果，且在受力表面能够获得更均匀的效果。
(3)由于本发明提供的增材制造方法，通过采用上文所述的周期性结构作为零件的支撑结构，由此，通过采用本发明提供的增材制造方法制造出来的零件具有优良的导热均匀性和隔热效果，且在受力表面能够获得更均匀的效果。
上述描述仅是对本发明较佳实施方式的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种周期性结构，其特征在于，所述周期性结构为三周期极小曲面结构，所述周期性结构包括若干周期性排布的晶格单胞，所述晶格单胞具有多个沿不同方向设置的支撑杆，所述支撑杆呈锥体设置，所述周期性结构的每一边界面均为由若干所述锥体底面构成的点阵面，所述若干锥体底面均匀地分布在所述周期性结构的边界面上，所述周期性结构满足如下三周期极小曲面方程：
sin(x)sin(y)sin(z)+cos(x)cos(y)cos(z)=K
其中，sin为三角正弦函数，cos为三角余弦函数，x、y、z 为三维空间中某一点的三坐标值，K为常数项。
2.根据权利要求1所述的周期性结构，其特征在于，所述周期性结构中的所述锥体包括顶端和底面，所述周期性结构中任意相邻的两个锥体均为顶端相对设置或底面相对设置。
3.根据权利要求1所述的周期性结构，其特征在于，所述K的取值范围为[-π/2，π/2]。
4.一种隔热结构，其特征在于，包括若干如权利要求1至3中任一项所述的周期性结构，其中：
每相邻的两个底面相连的锥体形成一储热单元；
每相邻的两个所述锥体的顶端连接处形成一隔热区。
5.一种增材制造方法，其特征在于，所述方法包括：
选择三周期极小曲面方程，并根据所述三周期极小曲面方程生成三周期极小曲面模型，所述三周期极小曲面模型包括若干如权利要求1至3中任一项所述的周期性结构；
生成待制造零件的实体模型；
根据所述三周期极小曲面模型和所述实体模型，生成实体晶格模型；以及
根据所述实体晶格模型，进行零件的增材制造。
6.根据权利要求5所述的增材制造方法，其特征在于，所述根据所述三周期极小曲面方程生成三周期极小曲面模型的方法包括：
确定所述三周期极小曲面的方程参数；
根据所述方程参数并进行实体化，生成单周期晶格模型；以及
根据所述单周期晶格模型生成三周期极小曲面模型。
7.根据权利要求5所述的增材制造方法，其特征在于，所述根据所述三周期极小曲面模型和所述实体模型，生成实体晶格模型的方法包括：
确定所述实体模型进入晶格结构的生成方式；以及
对所述三周期极小曲面模型和所述实体模型进行布尔运算并进行离散化处理以生成实体晶格模型。
8.根据权利要求5所述的增材制造方法，其特征在于，在生成实体晶格模型后，所述方法还包括：
对所述实体晶格模型进行局部处理和/或添加细节。
9.根据权利要求5所述的增材制造方法，其特征在于，所述根据所述实体晶格模型，进行零件的增材制造的方法包括：
对所述实体晶格模型进行切片处理，以获取切片数据；
确定增材制造的工艺参数；以及
根据所述切片数据和所述工艺参数，完成零件的增材制造。
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US20180117872A1 (en) * 2016-11-03 2018-05-03 Khalifa University of Science and Technology Interpenetrating phase composite structures including triply periodic minimal surfaces and methods of forming the same
CN108788154B (zh) * 2018-06-26 2020-02-21 华中科技大学 一种具有大变形功能的智能结构的4d打印方法及其产品
CN109622958B (zh) * 2018-12-20 2020-06-02 华中科技大学 一种采用极小曲面多孔结构制备钛合金植入体的方法
CA3130721A1 (en) * 2019-04-01 2021-01-07 Benjamin D. Fisher Functionally graded lattice cermet fuel structure with shape corresponding to a mathematically-based periodic solid, particularly for ntp applications
CN110641083B (zh) * 2019-10-24 2020-09-29 北京航空航天大学 一种泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板及制备方法
CN111291512B (zh) * 2020-01-22 2021-08-31 南京理工大学 一种具有隔热功能的变密度Gyroid晶格结构设计方法
CN111967089B (zh) * 2020-08-04 2021-08-03 南京理工大学 一种基于渐变胞元尺寸的异型三维点阵结构隔热性能优化设计方法

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