基于电子束3D打印的梯度多孔结构仿生制造拓扑方法技术

本发明专利技术公开了基于电子束3D打印的梯度多孔结构仿生制造拓扑方法，属于多孔结构仿生制造拓扑方法技术领域，基于解析力学数学建模，测算出压强强度以及疲劳性能，依据测算出压强强度以及疲劳性能指导产品的设计，基于产品的设计采用电子束3D打印设备进行打印具体的产品。品。品。

【技术实现步骤摘要】
基于电子束3D打印的梯度多孔结构仿生制造拓扑方法


[0001]本专利技术涉及一种多孔结构仿生制造拓扑方法，特别是涉及基于电子束3D打印的梯度多孔结构仿生制造拓扑方法，属于多孔结构仿生制造拓扑方法


技术介绍

[0002]随着工业需求的持续而快速的增长，产品设计求的样化、结构的复杂化已成为大势所趋，由相互连接的实心支柱或平板组成的多孔结构已成为非常有前途的产品之一，其可实现复杂的形状变化，满足产品性能要求，可根据不同方向的不同的力学性能和形状要求，可以在可控范围内对多孔结构进行调整，从而提供不同的结构刚度、抗震性和高吸能性。
[0003]随着3D打印技术以及材料学的快速发展，功能梯度多孔结构可以用于定制和被高效制造，此外，这些结构由于其性能的多样性而被广泛应用于各个领域，特别是生物医学领域，由于其设计特点，功能梯度多孔结构适用于拓扑优化方法或周期性排列，最典型的周期性结构包括诸如蜂窝结构的二维多边形阵列，或者由支柱或层组成的三维结构。
[0004]在上述多孔结构中，菱形十二面体常被用于生物医学应用，作为人体骨骼的替代品，其孔隙率和密度与天然人体骨骼相似，此外，低弹性模量避免了应力屏蔽效应，使其作为人体骨骼的替代品更安全，钛合金，尤其是Ti6Al4V合金，因其具有优异的机械性能、耐腐蚀性和生物相容性等优点，适合作为替代人体骨骼的植入材料，比如人造关节等，随着孔隙率的增加和弹性模量的降低，Ti6Al4V功能性多孔结构材料植入物将加快组织生成和整合的速度，与传统的铸造或锻造产品相比，EBM(电子束熔炼)制备的Ti6Al4V生物医学样品在各项力学性能上没有显着差异。
[0005]相比传统制造技术，Ti6Al4V合金的3D打印技术可以使医用人造关节的设计可以根据病患的需求进行个性化，设计和生产快速化，产品的机械性能和疲劳性能得到优化，但却缺少一种基于电子束3D打印的梯度多孔结构仿生制造拓扑方法来实现更好便捷高效的进行3D打印。

技术实现思路

[0006]本专利技术的主要目的是为了提供基于电子束3D打印的梯度多孔结构仿生制造拓扑方法，对于在x方向映射或未映射的结构，考虑了压缩条件下结构的边界条件的两种情况：结构的边界处于刚性约束下或不在x方向或/和y方向，当边界在一个方向(X或y方向)上受到刚性约束时，所有单元格都有周期性的加载条件，而在这个方向上没有位移。无约束的边界条件由一个方向(X或y方向)的自由水平边界位移来解释。
[0007]本专利技术的目的可以通过采用如下技术方案达到：
[0008]基于电子束3D打印的梯度多孔结构仿生制造拓扑方法，步骤一：基于解析力学数学建模，测算出压强强度以及疲劳性能；
[0009]步骤二：依据测算出压强强度以及疲劳性能指导产品的设计；
[0010]步骤三：基于产品的设计采用电子束3D打印设备进行打印具体的产品。
[0011]优选的，在步骤一中数学模型计算范围可以从具体的m
×
n胞到无穷个胞，而现有商用有限元软件不能处理无穷个胞。
[0012]优选的，在步骤一中力学性能是通过压缩试验来确定的，单轴映射比的引入允许在不改变结构孔隙度的情况下，根据不同的边界约束制造具有个性化参数和所需的力学性能的结构。
[0013]优选的，采用解析模型预测没有边界约束的1
×
1到∞
×
∞单元和有边界约束的任意m
×
n的情况，其中1
×
1和∞
×
∞单元分别给出了有效压缩模量的下限和上限。
[0014]优选的，基于电子束熔化制备的菱形十二面体结构；其代表的体积单元和第八个单元的光束表示。未映射的单元格由一个边形长度为b的立方框构成；
[0015]单元格由32个直径为d和长度的圆柱体支柱组成，只考虑了单元格的八分之一来分析确定由于对称性引起的有效性质；
[0016]其中公式为：
[0017]优选的，定义了一个全局坐标系Og
‑
XYZ连接到立方盒点O的中心g和一个局部坐标系O
‑
xyz附着到单元格的第8个，如图1所示节点束在局部坐标系O
‑
xyz中的坐标为with；对于每个光束Oi(i＝A、B、C、D)，我们定义了一个附加到原点O上的局部坐标系为：
[0018][0019]优选的，单位细胞在x方向上的仿射映射：(a)未映射细胞(α＝1)，(b)映射细胞(α＝0.7)，(c)映射细胞(α＝0.5)在x方向映射之后，映射支柱(波束)的长度是映射比率α：的函数，和单位方向向量，也依赖于映射比率α为：
[0020][0021][0022]对于在x方向映射或未映射的结构，考虑了压缩条件下结构的边界条件的两种情
况：结构的边界处于刚性约束下或不在x方向或/和y方向，当边界在一个方向(X或y方向)上受到刚性约束时，所有单元格都有周期性的加载条件，而在这个方向上没有位移，无约束的边界条件由一个方向(X或y方向)的自由水平边界位移来解释。
[0023]本专利技术的有益技术效果：
[0024]本专利技术提供的基于电子束3D打印的梯度多孔结构仿生制造拓扑方法，对于在x方向映射或未映射的结构，考虑了压缩条件下结构的边界条件的两种情况：结构的边界处于刚性约束下或不在x方向或/和y方向，当边界在一个方向(X或y方向)上受到刚性约束时，所有单元格都有周期性的加载条件，而在这个方向上没有位移。无约束的边界条件由一个方向(X或y方向)的自由水平边界位移来解释。
附图说明
[0025]图1为按照本专利技术的基于电子束3D打印的梯度多孔结构仿生制造拓扑方法的疲劳性能图；
[0026]图2为按照本专利技术的基于电子束3D打印的梯度多孔结构仿生制造拓扑方法的应力
‑
位移图。
具体实施方式
[0027]为使本领域技术人员更加清楚和明确本专利技术的技术方案，下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。
[0028]如图1
‑
图2所示，本实施例提供的基于电子束3D打印的梯度多孔结构仿生制造拓扑方法，
[0029]步骤一：基于解析力学数学建模，测算出压强强度以及疲劳性能；
[0030]步骤二：依据测算出压强强度以及疲劳性能指导产品的设计；
[0031]步骤三：基于产品的设计采用电子束3D打印设备进行打印具体的产品。
[0032]在本实施例中，在步骤一中数学模型计算范围可以从具体的m
×
n胞到无穷个胞，而现有商用有限元软件不能处理无穷个胞。
[0033]在本实施例中，在步骤一中力学性能是通过压缩试验来确定的，单轴映射比的引入允许在不改变结构孔隙度的情况下，根据不同的边界约束制造具有个性化参数和所需的力学性能的结构。
[0034]在本实施例中，采用解析模型预测没有边界约束的1
×
1到∞
×
∞单元和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于电子束3D打印的梯度多孔结构仿生制造拓扑方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：基于解析力学数学建模，测算出压强强度以及疲劳性能；步骤二：依据测算出压强强度以及疲劳性能指导产品的设计；步骤三：基于产品的设计采用电子束3D打印设备进行打印具体的产品。2.根据权利要求1所述的基于电子束3D打印的梯度多孔结构仿生制造拓扑方法，其特征在于：在步骤一中数学模型计算范围可以从具体的m
×
n胞到无穷个胞，而现有商用有限元软件不能处理无穷个胞。3.根据权利要求2所述的基于电子束3D打印的梯度多孔结构仿生制造拓扑方法，其特征在于：在步骤一中力学性能是通过压缩试验来确定的，单轴映射比的引入允许在不改变结构孔隙度的情况下，根据不同的边界约束制造具有个性化参数和所需的力学性能的结构。4.根据权利要求3所述的基于电子束3D打印的梯度多孔结构仿生制造拓扑方法，其特征在于：采用解析模型预测没有边界约束的1
×
1到∞
×
∞单元和有边界约束的任意m
×
n的情况，其中1
×
1和∞
×
∞单元分别给出了有效压缩模量的下限和上限。5.根据权利要求4所述的基于电子束3D打印的梯度多孔结构仿生制造拓扑方法，其特征在于：基于电子束熔化制备的菱形十二面体结构；其代表的体积单元和第八个单元的光束表示。未映射的单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗阳军，徐纪，
申请(专利权)人：苏州佰兰达科技有限公司，
类型：发明
国别省市：