一种基于增材制造的相变储能装置点阵夹层结构制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于增材制造的相变储能装置点阵夹层结构，属于航天器轻量化多功能结构技术领域。本发明专利技术所述夹层结构是采用增材制造工艺制备得到的一体化结构，外部为壳体，内部设计成三维网络结构，实现相变储能装置的轻量化设计，较传统结构减重60％以上；采用特定结构的稀疏点阵胞元和致密点阵胞元两种重复单元在空间平移形成三维网络结构，能够避免相变储能装置顶部出现结构坍塌。本发明专利技术采用增材制造技术进行一体化成型，不存在焊接导致的强度问题，具备优良的力学性能；而且该制备工艺具有制造精度高和周期短的优点，大大提高制造效率，在航天、航空、能源和精密仪器等领域的相变储能装置结构设计方面具有良好的应用前景。

A lattice sandwich structure of phase change energy storage device based on material increase

The invention relates to a phase-change energy storage device based on a lattice sandwich structure, which belongs to the field of lightweight and multi-functional structure of a spacecraft. The invention of the sandwich structure is obtained with the integrated structure, increasing material manufacturing process, external shell, internal design into three-dimensional network structure, lightweight design based on phase change energy storage device, compared with the traditional structure of 60% weight loss; the sparse lattice cell specific structure and dense lattice cell two repeating units to form a three-dimensional network structure in the space of translation, can avoid the phase change energy storage device appears at the top of the structure collapse. The invention adopts additional material manufacturing technology are integrated, there is no problem in the welding strength, have excellent mechanical properties; and the preparation process has high manufacturing precision and short cycle advantages, greatly improve the manufacturing efficiency, phase change in the fields of aerospace, aviation, energy and precision instruments can have good application prospects the device structure design.

【技术实现步骤摘要】
一种基于增材制造的相变储能装置点阵夹层结构
本专利技术涉及一种基于增材制造的相变储能装置点阵夹层结构，属于航天器轻量化多功能结构

技术介绍
航天器上相机、天线等精密设备种类多，正常工作的温度环境要求较为苛刻，相变储能装置的主要作用是对有效载荷设备进行温度控制，利用装置结构内部填充的相变材料，通过相变吸收或释放热量来实现对设备的相对恒温控制。传统的相变储能装置结构采用机械加工制造，存在重量重的缺点，严重制约着深空探测等领域航天器的有效载荷功能和性能提升，而且需要通过焊接的方式实现结构连接，在焊接部位往往存在强度或疲劳问题，以及热控工质泄漏的隐患。
技术实现思路
为了弥补传统相变储能装置结构的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于增材制造的相变储能装置点阵夹层结构，该结构满足增材制造工艺约束，为机热一体化结构，结构重量较传统相变储能装置结构大幅减轻，而且不存在焊接导致的强度问题，在航天器轻量化多功能结构领域具有良好的应用前景。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。一种基于增材制造的相变储能装置点阵夹层结构，所述点阵夹层结构是采用增材制造工艺制备得到的一体化结构，外部为壳体，内部为三维网络结构；所述壳体为一个长方体结构，实现所述点阵夹层结构外部密封；壳体上加工有工艺孔和充装孔，并分别对壳体的内型面棱边和外型面棱边、工艺孔以及充装孔进行倒角，来减小结构关键部位的应力集中，避免产生强度失效；所述三维网络结构是由稀疏点阵胞元和致密点阵胞元两种重复单元在空间平移排列形成的；稀疏点阵胞元在壳体内部空间平移排列形成稀疏点阵阵列，致密点阵胞元在壳体内部空间平移排列形成致密点阵阵列；其中，稀疏点阵胞元和致密点阵胞元均是由八根圆柱形杆件构成的对四棱锥结构，八根圆柱形杆件的一端相交于一点，将其中四根圆柱形杆件另一端的四个端点连接起来形成一个长方形，将另外四根圆柱形杆件另一端的四个端点连接起来也形成一个长方形。壳体的宽度、高度、厚度分别记为W、H、T，其中，宽度和高度均在百毫米量级，厚度在十毫米量级，厚度优选10mm～30mm；稀疏点阵胞元在三个正交方向(即壳体的宽度、高度和厚度方向)的设计尺寸为D1、D2和D3，致密点阵胞元在三个正交方向的设计尺寸为d1、d2和d3，且d1＝D1/2，d2＝D2/2，d3＝D3/2；由稀疏点阵胞元填充形成的稀疏点阵阵列区域的宽度、高度、厚度分别为W1、H1、T1；由致密点阵胞元填充形成的致密点阵阵列区域的宽度、高度、厚度分别为W2、H2、T2；圆柱形杆件的直径0.3mm≤Φ≤1mm，壳体的壁厚0.3mm≤t≤1mm，且Φ≤t，对圆柱形杆件直径和壳体厚度的限定，一方面是为了保证良好的增材制造质量，因为当尺寸小于0.3mm时，金属激光选区熔化成型的材料缺陷较多，对力学性能影响较大，无法保证装置结构性能的一致性；另一方面是为了保证装置结构的轻量化性能和较大的容积，因为当大于1mm时，结构强度裕度过高，轻量化性能差，内部孔隙率降低，装置结构容积减小。对于稀疏点阵阵列区域：W1＝W-Φ，H1＝H-Φ，T1＝T-Φ，稀疏点阵阵列区域在三个正交方向的尺寸比壳体在三个正交方向的尺寸小Φ，是为了保证增材制造结构的稀疏点阵胞元填充区域的外轮廓恰好不超出壳体结构外形尺寸，因为圆柱形杆件直径并不为零。对于致密点阵阵列区域：为W2＝W-Φ，H2＝(n+0.25)×D1，T2＝T-Φ，n为正整数，优选为1～5之间的正整数。致密点阵胞元填充的区域尺寸的设计是为了实现致密点阵阵列与稀疏点阵阵列的无缝连接，避免出现悬臂杆件，以及由于悬臂杆件导致的制造过程中的局部坍塌失效和结构内部多余物的后处理清理困难，n一般小于等于5，是为了减小层数过多导致的重量增加。优选的，D1＝D2＝D3＝(T-Φ)/2，d1＝d2＝d3＝D1/2＝D2/2＝D3/2，使壳体厚度方向只有两层稀疏点阵胞元或致密点阵胞元，这是因为在现有的增材制造精度工艺约束条件下，这种双层设计的轻量化性能较好，有较高的空隙率和容积能力，同时减少杆件由于制造过程的热应力或服役载荷导致压杆失稳问题。所述点阵夹层结构选用金属材料，优选AlSi10Mg铝合金，保证了优良的力学性能和导热性能，满足航天器轻量化多功能使用要求。所述点阵夹层结构采用激光选区熔化成型技术进行制备，激光选区熔化成型工艺参数设置如下：激光功率340W～380W，扫描速率1000mm/s～1500mm/s，填充线间距0.15mm～0.25mm，热能量密度1.00J/mm2～2.00J/mm2。该技术相比其他增材制造技术，更加适合百毫米尺度的复杂结构成型，成型精度较高。壳体外型面棱边的倒角半径为0.3mm～0.5mm，内型面棱边的倒角半径为0.5mm～1.0mm，工艺孔和充装孔的倒角曲率半径为0.3mm～0.5mm，以减小结构在棱边处的应力集中，保证结构强度。有益效果：本专利技术所述的点阵夹层结构是基于增材制造技术实现的无焊缝的机热一体化结构，不存在焊接导致的强度问题，具备优良的力学性能；壳体内部设计成三维网络结构，实现相变储能装置的轻量化设计，能够较传统结构减重60％以上；由两种特定结构的重复单元构成三维网络结构，避免了制造过程中相变储能装置顶部结构坍塌；通过对两种重复单元尺寸进行调节，实现两种重复单元之间无缝拼接，避免出现悬臂杆件和结构内部多余物的后处理清理困难。本专利技术所述点阵夹层结构形式复杂，传统制造工艺无法满足，采用增材制造技术进行一体化成型，具有制造精度高和周期短的优点，大大提高制造效率，在航天、航空、能源和精密仪器等领域的相变储能装置结构设计方面具有良好的应用前景。附图说明图1为稀疏点阵胞元的结构示意图。图2为致密点阵胞元的结构示意图。图3为本专利技术所述基于增材制造的相变储能装置点阵夹层结构内部三维网络结构的结构示意图。图4为本专利技术所述基于增材制造的相变储能装置点阵夹层结构壳体的结构示意图。其中，1-稀疏点阵胞元，2-致密点阵胞元，3-稀疏点阵阵列，4-致密点阵阵列，5-壳体。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步阐述。一种基于增材制造的相变储能装置点阵夹层结构，所述点阵夹层结构是采用增材制造工艺制备得到的一体化结构，外部为壳体5，内部为三维网络结构；所述壳体5的作用是实现所述点阵夹层结构外部的密封，壳体5是一个长方体结构，其宽度、高度、厚度分别为W＝243mm、H＝167mm、T＝15mm，壳体5的壁厚(即AlSi10Mg铝合金板材的厚度)t＝0.4mm，如图4所示；壳体5上加工有工艺孔和充装孔，工艺孔内径φ4.5mm、外径φ6.5mm以及长度4.5mm，充装孔内径φ3.5mm、外径φ6.5mm以及长度4.5mm；分别对壳体5的内型面棱边和外型面棱边、工艺孔以及充装孔进行倒角，外型面棱边的倒角半径为0.5mm，内型面棱边的倒角半径为0.8mm，工艺孔和充装孔的倒角曲率半径为0.5mm，倒角设计是为了减小结构关键部位的应力集中，避免产生强度失效；所述三维网络结构是由稀疏点阵胞元1和致密点阵胞元2两种重复单元在空间平移排列形成的；其中，稀疏点阵胞元1和致密点阵胞元2均是由八根圆柱形杆件构成的对四棱锥结构，八根圆柱形杆件的一端相交于一点，将其中四根圆柱形杆件另一端的四个端点连接起来形成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于增材制造的相变储能装置点阵夹层结构，其特征在于：所述点阵夹层结构是采用增材制造工艺制备得到的一体化结构，外部为壳体(5)，内部为三维网络结构；所述壳体(5)为一个长方体结构，壳体(5)上加工有工艺孔和充装孔；所述三维网络结构是由稀疏点阵胞元(1)和致密点阵胞元(2)两种重复单元在空间平移排列形成的；其中，稀疏点阵胞元(1)和致密点阵胞元(2)均是由八根圆柱形杆件构成的对四棱锥结构，八根圆柱形杆件的一端相交于一点，将其中四根圆柱形杆件另一端的四个端点连接起来形成一个长方形，将另外四根圆柱形杆件另一端的四个端点连接起来形成一个长方形。

【技术特征摘要】
1.一种基于增材制造的相变储能装置点阵夹层结构，其特征在于：所述点阵夹层结构是采用增材制造工艺制备得到的一体化结构，外部为壳体(5)，内部为三维网络结构；所述壳体(5)为一个长方体结构，壳体(5)上加工有工艺孔和充装孔；所述三维网络结构是由稀疏点阵胞元(1)和致密点阵胞元(2)两种重复单元在空间平移排列形成的；其中，稀疏点阵胞元(1)和致密点阵胞元(2)均是由八根圆柱形杆件构成的对四棱锥结构，八根圆柱形杆件的一端相交于一点，将其中四根圆柱形杆件另一端的四个端点连接起来形成一个长方形，将另外四根圆柱形杆件另一端的四个端点连接起来形成一个长方形。2.根据权利要求1所述的一种基于增材制造的相变储能装置点阵夹层结构，其特征在于：分别对壳体(5)的内型面棱边、外型面棱边、工艺孔以及充装孔进行倒角；其中，壳体(5)外型面棱边的倒角半径为0.3mm～0.5mm，壳体(5)内型面棱边的倒角半径为0.5mm～1.0mm，壳体(5)上的工艺孔和充装孔的倒角曲率半径为0.3mm～0.5mm。3.根据权利要求1所述的一种基于增材制造的相变储能装置点阵夹层结构，其特征在于：圆柱形杆件的直径0.3mm≤Φ≤1mm，壳体(5)的壁厚0.3mm≤t≤1mm，且Φ≤t。4.根据权利要求1所述的一种基于增材制造的相变储能装置点阵夹层结构，其特征在于：所述点阵夹层结构的材质为AlSi10Mg铝合金。5.根据权利要求1所述的一种基于增材制造的相变储能装置点阵夹层结构，其特征在于：壳体(5)在三...

【专利技术属性】
技术研发人员：周浩，郭霖，张啸雨，苗建印，向艳超，姜超，曾惠忠，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：北京,11