[發(fā)明專利]一種在增材制造中增強五模超材料兩相材料結合力的方法

有效

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• 申請日: 2018-10-25
• 公開（公告）號: CN109531992B
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發(fā)明（設計）人: 宋波;張磊;史玉升
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B29C64/112
• 分類號: B29C64/112;B29C64/20;B22F3/105;B33Y10/00;B33Y30/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 梁鵬;曹葆青

本發(fā)明屬于五模超材料領域，并公開了一種在増材制造中增強五模超材料兩相材料結合力的方法。該方法包括：(a)調整五模超材料六邊形微單元的尺寸和壁厚，使得所述蜂窩狀結構的實際密度和模量參數趨近于設定值，以此獲得六邊形微單元新的尺寸和壁厚；(b)在每個六邊形微單元相鄰邊的薄壁連接處，金屬相與非金屬相的交界面設置卡槽；(c)通過使能帶曲線中本征頻率的壓縮波波速和剪切波波速等于預設值，計算卡槽的尺寸；(d)建立五模超材料的三維結構模型，采用增材制造成形獲得所需的五模超材料零件。通過本發(fā)明，提高五模超材料金屬相與非金屬相界面處的結構穩(wěn)定性，提高其力學性能構件，為增材制造多相超材料的實際應用提供策略。

技術領域

本發(fā)明屬于五模超材料領域，更具體地，涉及一種在增材制造中增強五模超材料兩相材料結合力的方法。

背景技術

增材制造技術俗稱3D打印，通過軟件設計與控制系統(tǒng)將專用的金屬材料、非金屬材料以及醫(yī)用生物材料，按照擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實體物品的制造技術。相對于傳統(tǒng)的、對原材料去除-切削、組裝的減材或等材模式不同，增材制造是一種自下而上通過材料累加的制造方法，從無到有。這使得過去受到傳統(tǒng)制造方式的約束，而無法實現的復雜結構件制造變?yōu)榭赡堋?/p>

五模超材料是21世紀以來出現的一類新材料，具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料。幾乎沒有形變，類似于理想流體，難以壓縮卻極易流動，且其特征之一為整體密度等于水或理想流體的密度大小。當聲波傳播至五模超材料構件時，其傳播路徑不發(fā)生改變，從而達到控制聲波的效果，具體可以通過設計具有較大體積模量與剪切模量之比(B/G)的點陣結構來實現。

由于單相介質五模超材料受制于材料屬性單一的限制，難以發(fā)揮其波動控制的效果，在聲波的低頻段寬頻適應性差等缺點，提出了兩相介質五模超材料結構設計的設想，即是將第二相非金屬材料添加到金屬基五模超材料結構中去，利用非金屬材料輕質的特點來平衡五模超材料的整體密度，同時均勻化五模超材料的各部分設計尺寸使其便于增材制造加工；但是一方面兩相五模超材料點陣結構的微單胞金屬與非金屬材料界面處存在穩(wěn)定性差、易收到波動能量的干擾而出現第二相介質滑落、松垮的現象導致聲學效果控制不理想、綜合力學性能表現差的缺陷；另一方面若單純的添加第三相材料來穩(wěn)定整個五模超材料結構不符合均勻化設計理論的計算結果，兩相設計問題變成了多相五模超材料設計，增大了設計的復雜度和增材制造難度。在此基礎上，提出將五模超材料中金屬與非金屬的界面設計成具有一定穩(wěn)定性的微結構周期性卡槽，將界面的結合力大小代入到五模超材料結構設計中，整體設計出穩(wěn)定性好、性能高的五模超材料點陣結構。

發(fā)明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種在增材制造中增強五模超材料兩相材料結合力的方法，該方法通過均勻化理論在五模超材料金屬與非金屬的交界界面設計卡槽，在界面處設計微結構周期性卡槽來增大不同材料之間的接觸面積，從而能大幅度提高五模超材料中兩相材料界面的穩(wěn)定結合能力和五模超材料整體的力學性能。

為實現上述目的，按照本發(fā)明的，提供了一種在增材制造中增強五模超材料兩相材料結合力的方法，其特征在于，該方法包括下列步驟：

(a)對于由多個周期或非周期性排列的六邊形微單元組合成的蜂窩狀結構的待處理五模超材料，獲取該五模超材料中六邊形微單元的邊長和壁厚，然后設定該五模超材料的密度和模數參數值，調整所述六邊形微單元的尺寸和壁厚，使得所述蜂窩狀結構的實際密度和模量參數趨近于所述設定值，以此獲得所述六邊形微單元新的尺寸和壁厚；

(b)在每個所述六邊形微單元相鄰邊的薄壁連接處，金屬相與非金屬相的交界面設置卡槽，該卡槽的開口方向朝向所述六邊形微單元的中心，同時，所有所述薄壁連接處的卡槽關于所述六邊形微單元的中心對稱；

(c)對所述卡槽的尺寸賦予初始值，根據該初始值計算所述蜂窩狀結構的能帶曲線，調整所述尺寸的初始值使得所述能量曲線中本征頻率的壓縮波波速和剪切波波速等于預設值，以此獲得的尺寸值為所述卡槽的尺寸；