一种增材制造多孔结构的设计方法及金属护板技术

本发明专利技术属于计算机辅助设计领域，具体涉及一种增材制造多孔结构的设计方法及金属护板。本发明专利技术结合增材制造工艺特点，通过计算机仿真模拟及实件测试实验手段，综合考虑实际应用场景中的性能需求，从力学性能和热管理性能的角度进行分析，得到了一种能够设计具有复合性能的多孔结构的方法，并对设计方法的实验参数进行优化，提高设计方法的合理性和准确性，以及对不同设备、工艺、材料和产品的兼容性。本发明专利技术还通过该设计方法，得到TPMS片状结构Schoen

【技术实现步骤摘要】
一种增材制造多孔结构的设计方法及金属护板


[0001]本专利技术属于计算机辅助设计领域，尤其涉及分类号G06F30/00下的领域，更具体地，涉及一种增材制造多孔结构的设计方法及护板。

技术介绍

[0002]传统的零部件加工通常是减材制造方法，即在工件材料上通过车削、铣削、刨削、磨削、齿面加工、数控机床复杂曲面加工等物理(电、声、光、热、磁)、化学或者电化学方法进行加工，但这种方法对材料的耗费量较大，并且每种零件的加工还需要用到多种刀具、夹具，经过多道工序才能加工完成。
[0003]增材制造(Additive Manufacturing，AM)，即3D打印，是一种以三维数字模型作为基础，运用金属或非金属材料，通过逐层打印的方式来构造零件的一种特种加工技术。作为一种快速且精确的零部件加工方法，在航空航天、汽车、医疗、模具、建筑等领域都有所应用。
[0004]多孔材料(cellular solids)，是由大量多面体形或球形孔洞空间聚集形成的三维结构，具有功能和结构双重属性，可以用于分离，过滤，催化剂载体，热管理，消音，吸振，减重，缓冲，医疗等多种场景。随着应用领域的扩展和使用需求的提高，所需多孔材料的结构也越来越复杂，而复杂的多孔结构已经难以通过减材制造的工艺加工得到，制品合格率也较低。而增材制造技术的出现和发展，使得极端复杂的多孔结构的加工成为可能，有了增材制造技术的赋能，多孔材料在航空航天、核电、医疗、高端工具等精密领域能够实现更高的附加价值。
[0005]为了适应不同应用场景需求，需要对多孔材料的结构进行设计。国内外研究者们对多孔结构的设计方法不断进行优化。现有技术CN 112036063B公开了一种增材制造的TPMS结构的设计建模方法，该方法提供了一种轻量化设计的新思路。但对于单胞类型和尺寸等参数如何进行优化设计以适应不同的加工条件和应用场景，还没有体系化的方法。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种增材制造多孔结构的设计方法。
[0007]另一方面，本专利技术的目的还在于提供一种通过上述增材制造多孔结构的设计方法设计的金属护板。
[0008]为达到上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]一种增材制造多孔结构的设计方法，包括如下步骤：
[0010]S1：固定增材制造设备、材料及工艺参数，选择多孔结构的单胞类型进行建模；
[0011]S2：确定多孔结构的单胞尺寸范围；
[0012]S3：确定多孔结构的相对密度范围；
[0013]S4：筛选多孔结构的单胞类型；
[0014]S5：设计多孔结构与壳体连接的圆角；
[0015]S6：多孔结构静态力学分析；
[0016]S7：多孔结构热管理性能分析。
[0017]优选地，所述S1步骤中固定增材制造设备、材料及工艺参数包括：固定一台增材制造设备，固定一套激光工艺参数，固定打印层厚，固定刮刀系统，固定材料，固定筛粉混粉规范。
[0018]优选地，所述增材制造设备为光斑小于100μm的激光成形设备；
[0019]优选地，所述激光工艺参数采用轮廓偏置结合单道路径扫描方式；
[0020]优选地，所述打印层厚为20～40μm；
[0021]优选地，所述刮刀系统为柔性刮刀系统。
[0022]所述材料不作具体限定，可以选自所有可用于增材制造的材料；可列举的，包括铜合金，铝合金，钛合金，不锈钢，高温合金，非金属材料等。
[0023]3D打印成型舱内多种变量因子都将影响所制作零件的性能和质量，甚至相同牌号的设备在不同地区以相同的参数加工的零件性能都会产生差异，因此在进行设计前，需要固定设备和参数。光斑直径大不利于具有薄壁细节的多孔结构成型，在本专利技术的设计方法中，优选光斑小于100μm的激光成形设备；在本专利技术的设计方法中，可以根据实际的产品需求选择不同的材料，例如有导热/散热/热交换的需求，则选择导热性能良好的金属材料，如铝合金、铜合金；如果用于防锈蚀场景，则可以采用钛合金或不锈钢材料。本专利技术的设计方法可以适配不同的材料。
[0024]优选地，所述多孔结构包括点阵晶胞结构和三周期极小曲面，建模所用的软件选自nTopology或MSLattice；
[0025]优选地，所述三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surface，TPMS)包括Schoen
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Gyroid、Schwarz
‑
Diamond或Schwarz
‑
Primitive；
[0026]优选地，所述Schoen
‑
Gyroid、Schwarz
‑
Diamond或Schwarz
‑
Primitive分别包括片状结构(sheet TPMS)和实体结构(solid TPMS)。
[0027]优选地，所述Schoen
‑
Gyroid的建模公式为：
[0028]sin X cos Y+sin Y cos Z+sin Z cos X＝c；
[0029]优选地，所述Schwarz
‑
Diamond的建模公式为：
[0030]cos X cos Y cos Z
‑
sin X sin Y sin Z＝c；
[0031]优选地，所述Schwarz
‑
Primitive的建模公式为：
[0032]cos X+cos Y+cos Z＝c。
[0033]优选地，所述S2步骤具体为打印不同单胞规格的试件，观察试件卡粉、表面烧焦、翘曲、坍塌情况，未出现以上情况的单胞规格则确定为多孔结构的单胞尺寸范围。
[0034]优选地，所述单胞规格选自5～20mm。
[0035]优选地，所述不同单胞规格为7～10个；
[0036]进一步优选地，所述不同单胞规格为7个，分别为5、7.5、10、12.5、15、17.5、20mm。
[0037]优选地，所述试件X、Y、Z三方向同比例，各方向8～10层单胞堆叠，相对密度25～35％。
[0038]进一步优选地，当所述试件为圆盘状薄板零件时，厚度方向至少填充2层单胞。
[0039]单胞过小，则容易有卡粉风险，而单胞过大，支撑力不足，则会导致悬臂坍塌；并且，对于相同的三维STL模型数据精度，单胞越小，数据量越大；单胞越大，数据量越小；然而，对于热和声这样的能量波，容易被小孔径及多层的多孔结构减弱，其原理是孔壁的反复吸收和反射，抑制了对流和辐射；基于上述理论，本专利技术人在研究中发现，5～20mm的单胞规格能够涵盖目前市面上所有的设备、工艺和材料，因此为了提高效率，可以在此范围内进行设计。出于规避结构边缘效应的考虑，圆盘状薄板零件厚度方向至少需要设置2层单胞，综合成本及计算量考虑，本专利技术选择5～10层单胞进行研究，同时保证了结果的准确本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种增材制造多孔结构的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：固定增材制造设备、材料及工艺参数，选择多孔结构的单胞类型进行建模；S2：确定多孔结构的单胞尺寸范围；S3：确定多孔结构的相对密度范围；S4：筛选多孔结构的单胞类型；S5：设计多孔结构与壳体连接的圆角；S6：多孔结构静态力学分析；S7：多孔结构热管理性能分析。2.根据权利要求1所述的增材制造多孔结构的设计方法，其特征在于，所述S1步骤中固定增材制造设备、材料及工艺参数包括：固定一台增材制造设备，固定一套激光工艺参数，固定打印层厚，固定刮刀系统，固定材料，固定筛粉混粉规范。3.根据权利要求1所述的增材制造多孔结构的设计方法，其特征在于，所述S1步骤中多孔结构包括点阵晶胞结构和三周期极小曲面，建模所用的软件选自nTopology或MSLattice。4.根据权利要求1所述的增材制造多孔结构的设计方法，其特征在于，所述S2步骤具体为打印不同单胞规格的试件，观察试件卡粉、表面烧焦、翘曲、坍塌情况，未出现以上情况的单胞规格则确定为多孔结构的单胞尺寸范围。5.根据权利要求1所述的增材制造多孔结构的设计方法，其特征在于，所述S3步骤具体包括：在20～50％相对密度范围内建模不同的多孔结构，上下两侧设置夹板，仿真设计下侧夹板固定，上侧设定一定的法向压力，模拟多孔结构的形变位移和应力，得到相对密度的收敛区间，确定为多孔结构的相对密度范围。6.根据权利要求1所述的增材制造多孔结构的设计方法，其特征在于，所述S4步骤具体包括通过静态压缩仿真分析、静态压缩实验和静态拉伸实验进行筛选；所述静态压缩仿真分析的步骤包括：在S2和S3的单胞尺寸和相对密度范围内取值，建模得到相应的多孔结构模型，上下两侧设置夹板，仿真设计下侧夹板固定，上侧施加一定的法向压力，进行静态力学...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄忆宁，
申请(专利权)人：黄忆宁，
类型：发明
国别省市：