變截面金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)及其加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，尤其涉及變截面金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)及其加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相比其他輕質(zhì)結(jié)構(gòu)具有比強(qiáng)度比剛度高的特性，然而由于受傳統(tǒng)制 造方法的限制，其本身具有的單元多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)使得金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造成 為難點(diǎn)。而傳統(tǒng)的焊接法、編織法制造的金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)較單一，也未針對(duì)單元內(nèi)不同部 位的受力條件而開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0003] 隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，尤其是選擇性激光熔融技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，直接從金屬 粉末打印設(shè)計(jì)的金屬微結(jié)構(gòu)成為現(xiàn)實(shí)。而現(xiàn)有的的桿徑不變的均勻點(diǎn)陣單元結(jié)構(gòu)耗材多， 重量大，因此需要針對(duì)桿徑各部位的內(nèi)力特性，開(kāi)展桿徑優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提升其比強(qiáng)度和 比剛度的金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，以達(dá)到節(jié)約材料、提升力學(xué)性能的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種變截面金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)及其加工方法，對(duì)金屬 點(diǎn)陣單元的桿徑進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提升比強(qiáng)度和比剛度，達(dá)到節(jié)約材料、提升力學(xué)性能的目 的。
[0005] 本發(fā)明的變截面金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，包括空間排列的多個(gè)變截面點(diǎn)陣單元；所述變截 面點(diǎn)陣單元由多個(gè)變截面桿件連接構(gòu)成；
[0006] 進(jìn)一步，所述變截面桿件中部的直徑小于兩端的直徑；
[0007] 進(jìn)一步，所述變截面桿件的外側(cè)面為光滑表面；
[0008] 進(jìn)一步，所述變截面桿件的桿徑方程為：
[0009]
[0010] 式中1為變截面桿件的長(zhǎng)度，d為變截面桿件的直徑，Θ為變截面桿件與鉛垂線 夾角，[σ ]為金屬材料的許用正應(yīng)力，q為一根變截面桿件承受的豎直向下的均布荷載；a。、 &2為常數(shù)；
[0011] 進(jìn)一步，所述變截面點(diǎn)陣單元為基于正棱柱的面心立體單元；
[0012] 進(jìn)一步，所述為正棱柱為立方體；
[0013] 進(jìn)一步，任意相鄰兩個(gè)變截面點(diǎn)陣單元共用一個(gè)變截面桿件；
[0014] 本發(fā)明的變截面金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的加工方法，采用選擇激光熔融技術(shù)逐層燒結(jié)而 成，加工前金屬粉末燒結(jié)機(jī)的工作倉(cāng)以氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體保持密封；
[0015] 進(jìn)一步，加工過(guò)程中，激光功率為200W，掃描速度1000mm/s，掃面間距200 μπι，單 次燒結(jié)粉末層厚度為20 μm，加工完成的變截面金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行800攝氏度退火熱處理。
[0016] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的變截面金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)及其加工方法，針對(duì)桿徑各 部位的內(nèi)力特性，對(duì)金屬點(diǎn)陣單元的桿徑進(jìn)行優(yōu)化，與一般的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)的構(gòu)成 單元由沿桿徑方向橫截面直徑可變的微型變截面桿件組成，相比通過(guò)金屬絲編織及焊接構(gòu) 成的均勻點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，變截面點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中的變截面桿件，其截面直徑由變截面桿件在荷載作 用下需滿足的內(nèi)力條件來(lái)精確決定，實(shí)現(xiàn)構(gòu)成變截面桿件的材料根據(jù)變截面桿件內(nèi)的應(yīng)力 梯度而增減，節(jié)約了粉末材料，提升了輕質(zhì)特性；運(yùn)用選擇激光熔融技術(shù)逐層燒結(jié)而成，成 型件致密度高達(dá)99. 5%，相比其他輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料具有極高的比強(qiáng)度和比剛度，相對(duì)密度可 達(dá)10 %，特別適合應(yīng)用于大型航空航天器、汽車工業(yè)等領(lǐng)域中的支撐結(jié)構(gòu)以及生物科學(xué)及 醫(yī)學(xué)中的血管支架、仿生骨骼中。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1為本發(fā)明的變截面金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖2為變截面點(diǎn)陣單元結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 圖1為本發(fā)明的變截面金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為變截面點(diǎn)陣單元結(jié)構(gòu)示意圖， 如圖所示：本實(shí)施例的變截面金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，包括空間排列的多個(gè)變截面點(diǎn)陣單元1 ;所述 變截面點(diǎn)陣單元1由多個(gè)變截面桿件2連接構(gòu)成，多個(gè)變截面點(diǎn)陣單元1在空間內(nèi)緊密排 列堆疊在一起形成變截面金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，變截面點(diǎn)陣單元1針對(duì)桿徑各部位的內(nèi)力特性， 對(duì)桿徑進(jìn)行優(yōu)化，使其變截面桿件2形成兩端粗中部細(xì)的變截面桿件2,實(shí)現(xiàn)構(gòu)成變截面桿 件2的材料根據(jù)變截面桿件2內(nèi)的應(yīng)力梯度而增減，節(jié)約了粉末材料，提升了力學(xué)性能和輕 質(zhì)特性。
[0020] 本實(shí)施例中，所述變截面桿件2中部的直徑小于兩端的直徑；由超靜定結(jié)構(gòu)計(jì)算 方法，結(jié)合單元的對(duì)稱性，可得到FCC直桿單元的對(duì)稱計(jì)算模型，由力學(xué)理論，可求出對(duì)應(yīng) 的內(nèi)力方程，即當(dāng)〇彡X彡1時(shí)，有：
[0021] 彎矩方趕：
[0022]
[0023] 剪力方程：
[0024] Q(x) = qsin Θ (Isin θ -X)
[0025] 軸力方程：
[0026] N(x) = qltan θ
[0027] 對(duì)以上方程中的參數(shù)進(jìn)行說(shuō)明，1為單元中桿的長(zhǎng)度，以上方程中，取桿長(zhǎng)為χ的 一段進(jìn)行分析，Θ為桿與鉛垂線之間的夾角，考慮到現(xiàn)階段SLM技術(shù)條件，1取值范圍為 π 1~8mm，Θ取值范圍為< χ < 1 ;
[0028] 由于點(diǎn)陣單元中，桿的長(zhǎng)度與直徑之比（長(zhǎng)徑比）通常在5以上，符合細(xì)長(zhǎng)梁假 設(shè)，因此，考慮桿的彎曲正應(yīng)力強(qiáng)度即可。
[0029] 桿的彎曲正應(yīng)力方程為：
[0030]
[0031] 必須滿足強(qiáng)度條件：
[0032] σ ^ [ σ ]
[0033] 則有滿足彎矩要求的外徑尺寸：
[0034]
[0035] 同理可得滿足剪力和軸力要求的外徑尺寸：
[0036]
[0037] ?冗1^」
[0038] 以上公式中的[0]、[τ]為許用正應(yīng)力和許用剪應(yīng)力，取值由具體的材料相關(guān)的 力學(xué)性能試驗(yàn)給出，d和X值都是變量，分別代表?xiàng)U上某位置對(duì)應(yīng)的桿徑和該位置距離桿端 的距離，顯然0 < X < 1，得到桿徑隨桿長(zhǎng)方向的變化曲線大致呈V字形。
[0039] 本實(shí)施例中，所述變截面桿件2的外側(cè)面為光滑表面，減少應(yīng)力集中點(diǎn)，提高力學(xué) 性能。
[0040] 本實(shí)施例中，所述變截面桿件2的桿徑方程為：
[0041 ]
[0042] 式中1為變截面桿件2的長(zhǎng)度，d為變截面桿件2的直徑，Θ為變截面桿件2與鉛 垂線夾角，[σ]為金屬材料的許用正應(yīng)力，q為一根變截面桿件2承受的豎直向下的均布 荷載；a。、 &1、&2為常數(shù)；根據(jù)桿徑方程曲線的連續(xù)性要求以及內(nèi)力條件限定，擬合中間段圓 弧，對(duì)于慣用的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，都可根據(jù)本發(fā)明所示的方法，求出單根桿的直徑隨桿上不同位置 變化的曲線方程，得到適用于SLM技術(shù)的金屬變截面桿點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)及材料，實(shí)現(xiàn)材料利用率 更高，比強(qiáng)度和比剛度指標(biāo)更好的超輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
[0043] 本實(shí)施例中，所述變截面點(diǎn)陣單元1為基于正棱柱的面心立體單元，即以正棱柱 的上底面和下底面的中心點(diǎn)為相應(yīng)的上頂點(diǎn)和下頂點(diǎn)，以正棱柱的各個(gè)側(cè)面的中心點(diǎn)為中 間點(diǎn)，面心立體單元由連接于各個(gè)中間點(diǎn)與上頂點(diǎn)和下頂點(diǎn)之間的偶數(shù)個(gè)變截面桿件2構(gòu) 成，該結(jié)構(gòu)能在空間內(nèi)緊密排列和堆疊。
[0044] 本實(shí)施例中，所述為正棱柱為立方體。
[0045] 本實(shí)施例中，任意相鄰兩個(gè)變截面點(diǎn)陣單元1共用一個(gè)變截面桿件2,耗材少，重 量輕，連接緊密，力學(xué)性能好。
[0046] 本實(shí)施例的變截面金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的加工方法，采用選擇激光熔融技術(shù)逐層燒結(jié)而 成，加工前金屬粉末燒結(jié)機(jī)的工作倉(cāng)以氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體保持密封，加工時(shí)，刮刀從供粉倉(cāng) 向燒結(jié)倉(cāng)內(nèi)的支承板上鋪粉，激光束燒結(jié)粉末，一層燒結(jié)結(jié)束，刮刀將多余的粉末刮入粉末 回收倉(cāng)，支承板向下沉降一段距離，刮刀再次鋪粉。通過(guò)這種逐層掃描燒結(jié)的方式，可以加 工具有變截面特性的鈦合金金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)件，采用強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕的Ti6A14V作為 粉末，運(yùn)用選擇激光熔融技術(shù)逐層燒結(jié)而成，成型件致密度高達(dá)99. 5%，相比其他輕質(zhì)結(jié)構(gòu) 材料具有極高的比強(qiáng)度和比剛度，相對(duì)密度可達(dá)10%，特別適合應(yīng)用于大型航空航天器、汽 車工業(yè)等領(lǐng)域中的支撐結(jié)構(gòu)以及生物科學(xué)及醫(yī)學(xué)中的血管支架、仿生骨骼中。
[0047] 本實(shí)施例中，加工過(guò)程中，激光功率為200W，掃描速度1000mm/s，掃面間距 200 μ m，單次燒結(jié)粉末層厚度為20 μ m，加工完成的變截面金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行800攝氏度退 火熱處理。
[0048] 最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較 佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技 術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本 發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種變截面金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，其特征在于：包括空間排列的多個(gè)變截面點(diǎn)陣單元；所 述變截面點(diǎn)陣單元由多個(gè)變截面桿件連接構(gòu)成。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變截面金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述變截面桿件中部的 直徑小于兩端的直徑。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的變截面金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述變截面桿件的外側(cè) 面為光滑表面。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變截面金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述變截面桿件的桿徑 方程為：式中1為變截面桿件的長(zhǎng)度，d為變截面桿件的直徑，0為變截面桿件與鉛垂線夾角， [〇 ]為金屬材料的許用正應(yīng)力，q為一根變截面桿件承受的豎直向下的均布荷載；a。、ai、a2 為常數(shù)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變截面金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述變截面點(diǎn)陣單元為 基于正棱柱的面心立體單元。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的變截面金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述為正棱柱為立方體。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的變截面金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，其特征在于：任意相鄰兩個(gè)變截面點(diǎn) 陣單元共用一個(gè)變截面桿件。8. -種權(quán)利要求1-7任一權(quán)利要求所述的變截面金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的加工方法，其特征在 于：采用選擇激光熔融技術(shù)逐層燒結(jié)而成，加工前金屬粉末燒結(jié)機(jī)的工作倉(cāng)以氮?dú)庾鳛楸?護(hù)氣體保持密封。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的變截面金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的加工方法，其特征在于：加工過(guò)程中， 激光功率為200W，掃描速度lOOOmm/s，掃面間距200ym，單次燒結(jié)粉末層厚度為20ym，加 工完成的變截面金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行800攝氏度退火熱處理。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種變截面金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)及其加工方法，變截面金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)包括空間排列的多個(gè)變截面點(diǎn)陣單元，變截面點(diǎn)陣單元由多個(gè)變截面桿件連接構(gòu)成；變截面金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)采用選擇激光熔融技術(shù)逐層燒結(jié)而成，加工前金屬粉末燒結(jié)機(jī)的工作倉(cāng)以氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體保持密封；針對(duì)桿徑各部位的內(nèi)力特性，對(duì)金屬點(diǎn)陣單元的桿徑進(jìn)行優(yōu)化，相比通過(guò)金屬絲編織及焊接構(gòu)成的均勻點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，變截面點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中的變截面桿件，其截面直徑由變截面桿件在荷載作用下需滿足的內(nèi)力條件來(lái)精確決定，實(shí)現(xiàn)構(gòu)成變截面桿件的材料根據(jù)變截面桿件內(nèi)的應(yīng)力梯度而增減，節(jié)約了粉末材料，提升了輕質(zhì)特性。
【IPC分類】F16S5/00, B22F3/105
【公開(kāi)號(hào)】CN105020566
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510229244
【發(fā)明人】唐倩, 馮琪翔, 吳彥霖, 劉宗敏
【申請(qǐng)人】重慶大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年11月4日
【申請(qǐng)日】2015年5月7日