本發(fā)明屬于鏤空結(jié)構(gòu)制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有梯度功能性的鏤空點(diǎn)陣夾層，本發(fā)明還涉及一種具有梯度功能性的鏤空點(diǎn)陣夾層的制造方法。

背景技術(shù)：

鏤空結(jié)構(gòu)作為一種特殊的材料結(jié)構(gòu)形式，與傳統(tǒng)實(shí)心材料相比，具有更輕的質(zhì)量，同時(shí)因鏤空結(jié)構(gòu)及排布的不同，也會(huì)有不同程度的比強(qiáng)度效益(強(qiáng)度/重量之比)。目前鏤空結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于航空航天及醫(yī)療領(lǐng)域，例如蒙皮結(jié)構(gòu)、非主承力框架，人體醫(yī)療植入體等，因受制于傳統(tǒng)加工工藝的工藝局限性，鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)形式一般都較為簡(jiǎn)單，主要以十字交叉形、金字塔形為主，整體強(qiáng)度和功能性都有所欠缺。

選擇性激光熔化(SLM)是一種利用激光作為加工介質(zhì)對(duì)金屬粉末材料逐層進(jìn)行加工，從而制造致密金屬零件的新型材料加工技術(shù)，因其高柔性、高精度的制造加工特點(diǎn)，可將其適用于實(shí)際產(chǎn)品中，則會(huì)出現(xiàn)整個(gè)制造過程不需傳統(tǒng)的模具、夾具等配套設(shè)施，有效控制產(chǎn)品附加成本的特點(diǎn)，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其加工優(yōu)勢(shì)更為明顯，因此，選擇性激光熔化技術(shù)能高效的制備復(fù)雜形式的鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充物多為形式均一的填充或?qū)嵭慕Y(jié)構(gòu)，不僅質(zhì)量較大，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)梯度功能性，傳統(tǒng)鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制備多采用粘接或沖壓后焊接的方式，結(jié)構(gòu)自由度受諸多工藝性制約，實(shí)現(xiàn)工序步驟多，風(fēng)險(xiǎn)較大，芯部與夾層作為兩部分連接在一起，連接區(qū)域的強(qiáng)度較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種具有梯度功能性的鏤空點(diǎn)陣夾層，解決了鏤空點(diǎn)陣夾層質(zhì)量較大、整體強(qiáng)度和功能性都有所欠缺，無(wú)法實(shí)現(xiàn)梯度功能性的問題。

本發(fā)明一種具有梯度功能性的鏤空點(diǎn)陣夾層所采用的技術(shù)方案是，包括兩層包覆板，包覆板之間設(shè)置有芯部夾層，芯部夾層包括若干個(gè)相互連接的鏤空點(diǎn)陣填充單元，每個(gè)鏤空點(diǎn)陣填充單元內(nèi)均通過若干個(gè)微小密集的鏤空胞元組成。

本發(fā)明的特征在于，

每個(gè)鏤空點(diǎn)陣填充單元的外接體均為呈正方體的外包輪廓體，且每個(gè)外包輪廓體的邊長(zhǎng)均為3-10mm。

外包輪廓體邊長(zhǎng)上均勻分布有12-20個(gè)結(jié)點(diǎn)，外包輪廓體內(nèi)部均勻分布有9個(gè)結(jié)點(diǎn)，所有的結(jié)點(diǎn)按照特定的空間分布規(guī)律連接形成具有空間分布特征的鏤空點(diǎn)陣填充單元，特定的空間分布規(guī)律為：選取任意結(jié)點(diǎn)為確定的結(jié)點(diǎn)并作為起始點(diǎn)，采用圓桿將結(jié)點(diǎn)兩兩連接成閉合結(jié)構(gòu)。

圓桿直徑為外包輪廓體邊長(zhǎng)尺寸的5-20％。

任意圓桿與外包輪廓體表面的夾角為35°-45°。

本發(fā)明的另一目的是提供一種具有梯度功能性的鏤空點(diǎn)陣夾層的制造方法。

本發(fā)明一種具有梯度功能性的鏤空點(diǎn)陣夾層的制造方法所采用的技術(shù)方案是，包括以下步驟：

步驟1，將繪制的鏤空點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)的三維數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換為STL格式數(shù)據(jù)并導(dǎo)出；

步驟2，將步驟1得到的STL格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入商用模型剖分軟件中，并確定激光選區(qū)熔化過程中零件的擺放位置，利用商用模型剖分軟件將模型剖分為片層數(shù)據(jù)導(dǎo)入商用3D打印設(shè)備中；

步驟3，制定激光選區(qū)熔化加工過程的成形工藝，設(shè)定激光選區(qū)熔化參數(shù)，得到一次整體成形的具有梯度功能性的鏤空點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的特征還在于，

步驟3中激光選區(qū)熔化參數(shù)具體為：激光功率300-400KW、掃描速度500-1500mm/s、搭接率30-60％、鋪粉層厚0.03-0.08mm。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明一種具有梯度功能性的鏤空點(diǎn)陣夾層通過采用鏤空點(diǎn)陣填充單元形成鏤空夾層，結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，比強(qiáng)度高，減重效益最大可達(dá)85％以上，同時(shí)具備隔熱、隔音等功能性效益；實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化和功能化的綜合效益提升，避免單一結(jié)構(gòu)夾心板對(duì)多工況下應(yīng)用領(lǐng)域下的性能不匹配現(xiàn)象，最終實(shí)現(xiàn)梯度功能；同時(shí)采用激光選區(qū)熔化技術(shù)，可避免傳統(tǒng)夾層與外包覆板間連接區(qū)域的強(qiáng)度降低風(fēng)險(xiǎn)及復(fù)雜的多工序流轉(zhuǎn)，有很好的使用價(jià)值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種具有梯度功能性的鏤空點(diǎn)陣夾層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一種具有梯度功能性的鏤空點(diǎn)陣夾層中鏤空點(diǎn)陣填充單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明一種具有梯度功能性的鏤空點(diǎn)陣夾層中鏤空點(diǎn)陣填充單元的實(shí)體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例1中具有梯度功能性的鏤空點(diǎn)陣夾層的剖視圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例2的鏤空點(diǎn)陣填充單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例2的鏤空點(diǎn)陣填充單元的實(shí)體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是本發(fā)明實(shí)施例2的剖視圖。

圖中，1.包覆板，2.芯部夾層，3.鏤空點(diǎn)陣填充單元，4.外包輪廓體，5.結(jié)點(diǎn)，6.圓桿。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明一種具有梯度功能性的鏤空點(diǎn)陣夾層，如圖1所示，包括兩層包覆板1，包覆板1之間設(shè)置有芯部夾層2，芯部夾層2包括若干個(gè)相互連接的鏤空點(diǎn)陣填充單元3，每個(gè)鏤空點(diǎn)陣填充單元3內(nèi)均通過若干個(gè)微小密集的鏤空胞元組成。

如圖2所示，每個(gè)鏤空點(diǎn)陣填充單元3的虛擬的外接體均為呈正方體的外包輪廓體4，且每個(gè)外包輪廓體4的邊長(zhǎng)均為3-10mm，正方體狀的外包輪廓體4便于芯部夾層2中每個(gè)鏤空胞元外部接合面能緊密連接，避免出現(xiàn)鏤空胞元間結(jié)構(gòu)形式的錯(cuò)層或突變。

考慮到整體的承載均勻性及連接質(zhì)量，外包輪廓體4邊長(zhǎng)上均勻分布有12-20個(gè)結(jié)點(diǎn)5，外包輪廓體4內(nèi)部均勻分布有9個(gè)結(jié)點(diǎn)5，所有的結(jié)點(diǎn)5按照特定的空間分布規(guī)律連接形成具有空間分布特征的鏤空點(diǎn)陣填充單元3，特定的空間分布規(guī)律為：選取任意結(jié)點(diǎn)5為確定的結(jié)點(diǎn)并作為起始點(diǎn)，如圖3所示，采用圓桿6將結(jié)點(diǎn)5兩兩連接成閉合結(jié)構(gòu)。

圓桿6直徑為外包輪廓體4邊長(zhǎng)尺寸的5-20％。

任意圓桿6與外包輪廓體4表面的夾角為35°-45°，這樣可以在選區(qū)激光熔化過程中保證結(jié)構(gòu)不需要添加支撐，可一次整體成形。

一種具有梯度功能性的鏤空點(diǎn)陣夾層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，將繪制的鏤空點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)的三維數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換為STL格式數(shù)據(jù)并導(dǎo)出；

步驟2，將步驟1得到的STL格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入商用模型剖分軟件中，并確定激光選區(qū)熔化過程中零件的擺放位置，利用商用模型剖分軟件將模型剖分為片層數(shù)據(jù)導(dǎo)入商用3D打印設(shè)備中；

步驟3，制定激光選區(qū)熔化加工過程的成形工藝，設(shè)定激光選區(qū)熔化參數(shù)，得到一次整體成形的具有梯度功能性的鏤空點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)，其中激光選區(qū)熔化參數(shù)具體為：激光功率300-400KW、掃描速度500-1500mm/s、搭接率30-60％、鋪粉層厚0.03-0.08mm。

實(shí)施例1

具有梯度功能性的鈦合金鏤空點(diǎn)陣夾層的成形制備

(1)設(shè)計(jì)并繪制鈦合金鏤空點(diǎn)陣夾層的三維模型

如圖2-3所示，設(shè)計(jì)出菱形的鏤空胞元結(jié)構(gòu)，正方體外包輪廓體的邊長(zhǎng)采用5mm；在外包輪廓體4上確定12個(gè)結(jié)點(diǎn)5，具體分布為：外包輪廓體4各邊長(zhǎng)上確定1個(gè)結(jié)點(diǎn)，共12個(gè)結(jié)點(diǎn)5；外包輪廓體4內(nèi)部確定9個(gè)結(jié)點(diǎn)5，整體鏤空點(diǎn)陣填充單元3共有21個(gè)結(jié)點(diǎn)5，所有的結(jié)點(diǎn)5確定遵循規(guī)律，規(guī)律為將各結(jié)點(diǎn)5按照規(guī)律連接時(shí)：圓桿6與外包輪廓體4表面之間夾角為35°。

將設(shè)計(jì)好的的鏤空點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)繪制出來(lái)、根據(jù)實(shí)際裝配尺寸及工況設(shè)計(jì)鏤空點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)包覆板1和芯部夾層2的尺寸，其適用工況為在某一維度上存在載荷漸變的蒙皮結(jié)構(gòu)及具有類似工況的結(jié)構(gòu)，并將三維數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換為STL格式數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

(2)將STL數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入商用模型剖分軟件中，在模型剖分軟件中確定零件的擺放位置，擺放零件時(shí)以?shī)A心板兩實(shí)體側(cè)板垂直于成形基材進(jìn)行擺放，同轉(zhuǎn)變擺放角度使夾心實(shí)體板與刮刀運(yùn)動(dòng)方向呈60°。

(3)設(shè)定加工過程工藝參數(shù)：激光功率360kW、掃描速度700mm/s、搭接率35％、鋪粉層厚為0.05mm，取鈦合金粉末并將均勻的鋪在激光選區(qū)熔化成形設(shè)備成形倉(cāng)內(nèi)的成形基材上，并開始向成形倉(cāng)中通入惰性保護(hù)氣體，監(jiān)測(cè)成形倉(cāng)內(nèi)氧氣含量降至0.1％以下，啟動(dòng)成形任務(wù)開始零件激光選區(qū)熔化加工過程，成形結(jié)束后，將成形倉(cāng)內(nèi)的殘余粉末進(jìn)行回收，利用壓縮空氣清理零件上附著的殘余金屬粉末，如圖4所示，得到具有梯度功能性的鏤空點(diǎn)陣夾層。

本實(shí)施例中的鏤空點(diǎn)陣夾層重量為34.3g，對(duì)比原始實(shí)心面板結(jié)構(gòu)重量為148g，減重幅度達(dá)到85％以上，同時(shí)因整體結(jié)構(gòu)具有連續(xù)的梯度漸變性，可以實(shí)現(xiàn)特定工況下的梯度功能性，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能效益的最大化，采用選區(qū)激光熔化技術(shù)一次成形具有梯度功能性的鏤空點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)，整個(gè)工藝流程簡(jiǎn)潔快速，同時(shí)避免了傳統(tǒng)焊接、粘接工藝所造成的零件各部分工藝連接部位的性能差異隱患的問題。

實(shí)施例2

具有梯度功能性的鋁合金鏤空點(diǎn)陣夾層的成形制備

(1)設(shè)計(jì)并繪制鋁合金鏤空點(diǎn)陣夾層的三維模型

如圖5-6所示，設(shè)計(jì)出立方枝杈狀的的鏤空胞元結(jié)構(gòu)，正方體外包輪廓體的邊長(zhǎng)采用3mm；在外包輪廓體4上確定20個(gè)結(jié)點(diǎn)5，具體分布為：外包輪廓體4各頂點(diǎn)確定一個(gè)結(jié)點(diǎn)5，共8個(gè)，各邊長(zhǎng)上確定1個(gè)結(jié)點(diǎn)，共12個(gè)；外包輪廓體4內(nèi)部確定9個(gè)結(jié)點(diǎn)5，整體鏤空點(diǎn)陣填充單元3共有29個(gè)結(jié)點(diǎn)5，所有的結(jié)點(diǎn)5確定遵循規(guī)律，規(guī)律為將各結(jié)點(diǎn)5按照規(guī)律連接時(shí)：圓桿6與外包輪廓體4表面之間夾角為40°。

將設(shè)計(jì)好的的鏤空點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)繪制出來(lái)、根據(jù)實(shí)際裝配尺寸及工況設(shè)計(jì)鏤空點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)包覆板1和芯部夾層2的尺寸；適用工況為在某兩個(gè)維度上存在載荷漸變的L形板結(jié)構(gòu)及具有類似工況的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)特征為在兩個(gè)維度上存在載荷漸變的情況，L形板的拐角處在實(shí)際應(yīng)用中相對(duì)于板的兩頭，會(huì)存在應(yīng)力集中，因此為受載強(qiáng)區(qū)；將三維數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換為STL格式數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

(2)將STL數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入商用模型剖分軟件中，在模型剖分軟件中確定零件的擺放位置，擺放零件時(shí)以?shī)A心板兩實(shí)體側(cè)板垂直于成形基材進(jìn)行擺放，同轉(zhuǎn)變擺放角度使夾心實(shí)體板與刮刀運(yùn)動(dòng)方向呈45°。

(3)設(shè)定加工過程工藝參數(shù)：激光功率300kW掃描速度：500mm/s搭接率：30％，鋪粉層厚為：0.03mm，取鋁合金粉末并將粉末均勻的鋪在激光選區(qū)熔化成形設(shè)備成形倉(cāng)內(nèi)的成形基材上，并開始向成形倉(cāng)中通入惰性保護(hù)氣體，監(jiān)測(cè)成形倉(cāng)內(nèi)氧氣含量降至0.1％以下，啟動(dòng)成形任務(wù)開始零件激光選區(qū)熔化加工過程，成形結(jié)束后，將成形倉(cāng)內(nèi)的殘余粉末進(jìn)行回收，利用壓縮空氣清理零件上附著的殘余金屬粉末，如圖7-8所示，得到具有梯度功能性的鏤空點(diǎn)陣夾層。

本實(shí)施例中的L形板鏤空點(diǎn)陣夾層重量約為6g，對(duì)比原始實(shí)心面板結(jié)構(gòu)重量為30g，減重幅度達(dá)到80％以上，同時(shí)因整體結(jié)構(gòu)具有連續(xù)的雙重梯度漸變性，可以實(shí)現(xiàn)特定工況下兼顧結(jié)構(gòu)輕量化和承載高效化的雙重梯度功能性，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能效益的最大化，采用選區(qū)激光熔化技術(shù)一次成形具有梯度功能性的鏤空點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)，整個(gè)工藝流程簡(jiǎn)潔快速，同時(shí)避免的傳統(tǒng)焊接、粘接工藝所造成的零件各部分工藝連接部位的性能差異隱患。

實(shí)施例3

(1)設(shè)計(jì)并繪制鈦合金鏤空點(diǎn)陣夾層的三維模型

設(shè)計(jì)出菱形的鏤空胞元結(jié)構(gòu)，正方體外包輪廓體的邊長(zhǎng)采用10mm；在外包輪廓體4上確定12個(gè)結(jié)點(diǎn)5，具體分布為：外包輪廓體4各邊長(zhǎng)上確定1個(gè)結(jié)點(diǎn)，共12個(gè)結(jié)點(diǎn)5；外包輪廓體4內(nèi)部確定9個(gè)結(jié)點(diǎn)5，整體鏤空點(diǎn)陣填充單元3共有21個(gè)結(jié)點(diǎn)5，所有的結(jié)點(diǎn)5確定遵循規(guī)律，規(guī)律為將各結(jié)點(diǎn)5按照規(guī)律連接時(shí)：圓桿6與外包輪廓體4表面之間夾角為45°。

將設(shè)計(jì)好的的鏤空點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)繪制出來(lái)、根據(jù)實(shí)際裝配尺寸及工況設(shè)計(jì)鏤空點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)包覆板1和芯部夾層2的尺寸，其適用工況為在某一維度上存在載荷漸變的蒙皮結(jié)構(gòu)及具有類似工況的結(jié)構(gòu)，并將三維數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換為STL格式數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

(2)將STL數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入商用模型剖分軟件中，在模型剖分軟件中確定零件的擺放位置，擺放零件時(shí)以?shī)A心板兩實(shí)體側(cè)板垂直于成形基材進(jìn)行擺放，同轉(zhuǎn)變擺放角度使夾心實(shí)體板與刮刀運(yùn)動(dòng)方向呈60°。

(3)設(shè)定加工過程工藝參數(shù)：激光功率400kW、掃描速度1500mm/s、搭接率60％、鋪粉層厚為0.08mm，取鈦合金粉末并將均勻的鋪在激光選區(qū)熔化成形設(shè)備成形倉(cāng)內(nèi)的成形基材上，并開始向成形倉(cāng)中通入惰性保護(hù)氣體，監(jiān)測(cè)成形倉(cāng)內(nèi)氧氣含量降至0.1％以下，啟動(dòng)成形任務(wù)開始零件激光選區(qū)熔化加工過程，成形結(jié)束后，將成形倉(cāng)內(nèi)的殘余粉末進(jìn)行回收，利用壓縮空氣清理零件上附著的殘余金屬粉末，得到具有梯度功能性的鏤空點(diǎn)陣夾層。

本發(fā)明通過采用鏤空點(diǎn)陣填充單元形成鏤空夾層，結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，比強(qiáng)度高，減重效益最大可達(dá)85％以上，同時(shí)具備隔熱、隔音等功能性效益；實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化和功能化的綜合效益提升，避免單一結(jié)構(gòu)夾心板對(duì)多工況下應(yīng)用領(lǐng)域下的性能不匹配現(xiàn)象，最終實(shí)現(xiàn)梯度功能；同時(shí)采用激光選區(qū)熔化技術(shù)，可避免傳統(tǒng)夾層與外包覆板間連接區(qū)域的強(qiáng)度降低風(fēng)險(xiǎn)及復(fù)雜的多工序流轉(zhuǎn)，有很好的使用價(jià)值。