一种圆杆化的三维点阵结构制造技术

本发明专利技术公开了圆杆化的三维点阵结构，包括在三维空间内周期性规律排列并相互连接的多个点阵单胞；所述点阵单胞包括多个空间分布的节点和连接于所述节点之间的半圆/半椭圆杆；本发明专利技术将现有技术点阵结构中的直杆转换为椭圆形或圆形杆，从而较大程度地增强了结构的力学性能，且进一步提高了轻量化程度，使得该圆杆化点阵结构在功能性承载与轻量化应用上有着良好的应用价值，并且易于制备实现。

【技术实现步骤摘要】
一种圆杆化的三维点阵结构
本专利技术涉及材料结构
，尤其涉及一种具有弧形杆的点阵结构，该圆杆化点阵结构具有高承载、轻质、开孔、易于制备等特性，有着优良的力学性能和良好的吸能特性，该优化策略具有广泛适用性。
技术介绍
当前，面对我国航空航天、汽车轮船领域制造业加速转型升级的现状，对结构件轻量化、高承载且功能化有着愈发迫切的需求，由周期性规律单胞组成的点阵结构有着极大应用潜力。因而，开发能够提高点阵结构的比模量、比强度，提升轻量化优势的结构设计方法成为了必然要求。如CN201810615351.1-一种轻质空间点阵结构公布了一种轻量化、高强度且具有贯通孔的杆系点阵结构，具有良好的抗弯曲、抗扭转性能，但其杆系结点处受载容易破坏。对此，专利CN201910398127.6-一种节点增强型点阵结构公布了一种杆体之间采用球形结点连接、杆体与球形结点之间采用圆角平滑过渡的增强型点阵结构，但改进结构弹性模量仅能提高20％，并且增加了点阵单胞体积，不利于轻量化目标，此外，此类结点增强型点阵结构加工要求精度较高，增加了实际制备难度。
技术实现思路
为了实现优异的结构承载特性并保持高比表面积的功能特性，同时提升轻量化优势。在保持其高比表面积与开孔特性的前提下，本专利技术的目的是创新性地提出一种圆杆化的三维点阵结构，将其中平面四边形转换为外接椭圆形或圆形，从而形成新型弧形杆点阵结构，较大程度地增强了结构的力学性能，且进一步提高了轻量化程度，使得该圆杆化点阵结构在功能性承载与轻量化应用上有着良好的应用价值，并且易于制备实现。本专利技术的圆杆化的三维点阵结构，包括在三维空间内周期性规律排列并相互连接的多个点阵单胞；所述点阵单胞包括多个空间分布的节点和连接于所述节点之间的半圆/半椭圆杆；其中，点阵单胞中节点的分布可采用现有技术中已有的点阵分布，例如BCC、FCC等；点阵单胞中的半圆/半椭圆杆与相邻点阵单胞中的半圆/半椭圆杆相互交汇形成完整的圆型/椭圆型杆。进一步，所述点阵单胞中的节点呈体心立方(BCC)分布，四个半椭圆杆分别连接体心立方的四对顶点节点，四个所述半椭圆杆交汇于体心节点；如图1为现有技术中的体心立方点阵单胞结构，其具有八个顶点节点和一个体心节点；八个直杆分别连接八个顶点节点和体心节点；本专利技术中将一对直杆替换为半椭圆杆；如图5所示为现有BCC点阵结构的示意图，如图6所示为圆杆化后的BCC点阵结构的示意图，对比可知，本专利技术的点阵单胞规律重复排列后形成的点阵结构中，将现有的BCC点阵中水平方向对角面上的平面四边形杆结构用外接椭圆代替，使得其变为弧形杆，具有轻质高强特性。进一步，所述点阵单胞中的节点呈面心立方(FCC)分布；八个半圆杆分别连接面心立方的四对顶点节点，相邻两半圆杆交汇于面心节点。现有技术中的面心立方点阵单胞结构具有八个顶点节点和四个面心节点；每个面均由四个直杆分别连接四个顶点节点和面心节点；如图3所示，本专利技术中将每一对直杆替换为半圆杆，如图7所示为圆杆化后的FCC点阵结构的示意图，本专利技术的点阵单胞规律重复排列后形成的点阵结构中，将现有的FCC点阵中的正方形杆结构用外接圆杆代替。进一步，所述点阵单胞中的节点呈体心面心复合立方(F2BCC)分布；四个半椭圆杆和八个半圆杆分别连接复合立方的四对顶点节点，四个半椭圆杆交汇于体心节点，相邻两半圆杆交汇于面心节点；现有技术中的体心面心复合立方点阵单胞结构具有八个顶点节点、四个面心节点和一个体心节点；八个直杆分别连接八个顶点节点和体心节点，同时每个面均由四个直杆分别连接四个顶点节点和面心节点；如图4所示，本专利技术中将每一对连接顶点节点和面心节点的直杆替换为半圆杆，同时将每一对连接顶点节点和体心节点的直杆替换为半椭圆杆，如图8所示为圆杆化后的F2BCC点阵结构的示意图。进一步，本专利技术选择常用的Ti6Al4V材料，并根据选择性激光熔化(SLM)技术准则，完成点阵结构的加工制备，所述选择性激光熔化工艺中切片层厚为40μm，激光功率为290w，扫描速度为1200mm/s，孵化间距设置为120μm。本专利技术的有益效果为：1.圆杆化点阵结构，结构简单，制备方便，各杆体之间的交叉结点转变为弧形过渡，增加了应力承载面积，减少了应力集中，较传统点阵结构有着显著的力学性能提升。2.圆杆化点阵结构有着轻量化优势、高比表面积与开孔特性以及功能化潜力，适用于制备具有高刚度、高阻尼的填充类减振结构件。3.该种圆杆化点阵结构设计方法广泛适用于含有平面四边形的点阵结构，使得改进点阵结构具有优良的综合性能，具有较大推广潜力。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术技术方案进一步说明：图1为现有技术中BCC点阵结构单胞示意图；图2为圆杆化BCC点阵结构单胞示意图；图3为圆杆化FCC点阵结构单胞示意图；图4为圆杆化F2BCC点阵结构单胞示意图；图5为现有技术中的BCC点阵结构块示意图；图6为圆杆化BCC点阵结构块示意图；图7为圆杆化FCC点阵结构块示意图；图8为圆杆化F2BCC点阵结构块示意图；图9为BCC及圆杆化BCC点阵结构Z方向压缩响应曲线；图10为FCC、F2BCC及圆杆化FCC、F2BCC点阵结构Z方向压缩响应曲线。具体实施方式本实施例公开了一种单向变体梯度点阵结构，其在传统点阵结构上，对其中所含的平面四边形杆替换为椭圆形杆或圆形杆，能大幅度提高点阵结构的力学性能，充分展现了点阵结构的轻质高强特性。此外，这种优化策略对多类点阵结构具有良好的适用性，易于加工制备，故而，为进一步开发应用智能材料的点阵功能结构件提供了新的参考。样品制备材料选择常用的钛合金Ti6Al4V，制备方法为选择性激光熔化(SLM)技术，分辨率达0.01mm，结构参数设计基于SLM加工准则。优选地，选择结构简单，具有广泛代表性的体心立方(BCC)点阵结构。根据SLM方法制备钛合金材料的加工要求，BCC点阵结构杆径优选为0.6mm，为匹配杆径，获取优异力学性能，单胞尺寸设计为4×4×4mm3，图1为现有技术BCC点阵结构单胞模型。将其一对连接顶点节点和体心节点之间的直杆替换为半椭圆杆；从点阵整体看，即将其水平方向对角面上的平面四边形用外接椭圆形杆代替，使点阵结构直杆变为椭圆弧杆，圆杆化BCC点阵结构单胞模型见图2，其杆径同为0.6mm，单胞尺寸为4×4×4mm3。为避免单胞尺寸效应，保证点阵结构的力学性能，将BCC点阵结构单胞以及圆杆化BCC点阵结构单胞沿着三个方向排列的数量设计为6。单胞之间紧密结合，通过布尔运算中的实体组合，从而形成总体尺寸为24×24×24mm3的三维实体点阵块，图5与图6为以上两种结构的上下二等角轴测视图。进一步地，验证圆杆化点阵结构设计方法的广泛适用性，建立经典面心立方(FCC)点阵结构以及组合型(F2BCC)点阵结构。根据SLM加工约束，FCC、F2BCC点阵结构杆径优选为0.6mm，匹配的单胞尺寸为4×4×4mm3，分别进行圆杆化改本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种圆杆化的三维点阵结构，其特征在于：包括在三维空间内周期性规律排列并相互连接的多个点阵单胞；所述点阵单胞包括多个空间分布的节点和连接于所述节点之间的半圆/半椭圆杆。/n

【技术特征摘要】
1.一种圆杆化的三维点阵结构，其特征在于：包括在三维空间内周期性规律排列并相互连接的多个点阵单胞；所述点阵单胞包括多个空间分布的节点和连接于所述节点之间的半圆/半椭圆杆。


2.根据权利要求1所述的圆杆化的三维点阵结构，其特征在于:所述点阵单胞中的节点呈体心立方分布；四个半椭圆杆分别连接体心立方的四对顶点节点，四个半椭圆杆交汇于体心节点。


3.根据权利要求1所述的圆杆化的三维点阵结构，其特征在于:所述点阵单胞中的节点呈面心立方分布；八个半圆杆分别连接面心立方的四对顶点节点，相邻两半圆杆交汇于面心节点。

【专利技术属性】
技术研发人员：柏龙，胥玥，陈晓红，张俊芳，孙园喜，彭艳，罗均，蒲华燕，谢少荣，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50