[發明專利]基于增材制造的變體梯度點陣結構

有效

• 申請號: 202010637445.6
• 申請日: 2020-07-03
• 公開（公告）號: CN111895015B
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發明（設計）人: 柏龍;龔程;陳曉紅;張俊芳;周曉霞;孫園喜;彭艷;羅均;蒲華燕;謝少榮
• 申請（專利權）人: 重慶大學;上海大學
• 主分類號: F16F7/00
• 分類號: F16F7/00;F16S5/00
• 代理公司: 深圳國聯專利代理事務所(特殊普通合伙) 44465
• 代理人: 王天興

本發明公開了基于增材制造的變體梯度點陣結構，包括重復層疊并相互連接的多個變體梯度點陣層；所述變體梯度點陣層包括重復排列并相互連接的多個變體梯度單胞列；所述變體梯度單胞列包括沿單一方向重復排列并相互連接的多個點陣單胞；所述點陣單胞由原始點陣單胞沿一個或多個方向進行尺寸延拓形成；本發明的點陣結構改善了現有梯度結構連接處的結構突變問題。在保證其具有高強度的承載能力的同時，提高其能量吸收能力，使得其具有更好的抗沖擊特性。

技術領域

本發明涉及點陣結構，尤其涉及一種面向增材制造的梯度點陣結構及其設計方法。該結構連接穩定，有著不同于傳統點陣結構的力學響應，有著高強度，高剛度以及優異的能量吸收能力的優勢。

背景技術

點陣結構以其輕質、高比強度和高比剛度的優勢在航天、汽車等領域的輕量化設計上有著舉足輕重的地位。但點陣結構的復雜內部微結構對于傳統制備工藝有著極大的挑戰，隨著增材制造技術的發展，將其應用于點陣結構的制備成為了趨勢。其不僅能保證內部復雜微結構的精度和成型質量，還能有效保障力學性能。此外，相比于傳統制備工藝，采用增材制造技術制備點陣結構還也到了節約材料的目的。

近年來，具有隨區域變化而性能變化的梯度點陣結構以其獨特的優勢引起了廣泛關注，專利“CN107498948A”公布了一種通過改變單胞的桿徑來實現結構梯度化的方法，并且證實了其具有更好的抗沖擊防護效果。但是由于結構不同層的尺寸差異性大，不僅對制造加工提出了要求，還會導致結構在一定沖擊下出現破壞失效，因而，專利“CN109163212”提出了一種帶過渡層的梯度點陣結構，但是這種結構存在梯度點陣結構常見的節點連接弱化問題，尤其是在不同直徑桿的匯交處。受載下，節點應力集中效應突出，極大地影響了整體結構的承載特性。

發明內容

本發明的目的是針對當前梯度結構中存在的接觸弱化問題，提出一種新的梯度化策略，改善梯度結構連接處的結構突變問題。設計了具有密度和拓撲結構變化的梯度結構，在保證其具有高強度的承載能力的同時，提高其能量吸收能力，使得其具有更好的抗沖擊特性。

本發明的基于增材制造的變體梯度點陣結構，包括重復層疊并相互連接的多個變體梯度點陣層；所述變體梯度點陣層包括重復排列并相互連接的多個變體梯度單胞列；所述變體梯度單胞列包括沿單一方向重復排列并相互連接的多個點陣單胞；所述點陣單胞由原始點陣單胞沿一個或多個方向進行尺寸延拓形成，尺寸延拓指的是尺寸伸長或縮短；所述變體梯度單胞列中的各個點陣單胞的一個或多個方向的尺寸是漸變的，進而形成梯度結構；而整個點陣結構中的各個單胞的桿徑相同，因此，避免點陣結構相鄰單胞的桿件連接處出現節點連接突變、性能弱化問題。

進一步，所述原始點陣單胞為體心立方單胞；當然此類結構設計單胞構型不局限于體心立方結構，同樣適用于其余點陣結構單胞，并且梯度結構整體設計單胞數量與梯度層數也不限制于有限數量。通過對單胞結構尺寸與梯度點陣結構整體數量的調整可延拓至任意尺寸和任意層數。

進一步，所述變體梯度點陣層為7層；所述變體梯度單胞列為7列且各個變體梯度單胞列中的點陣單胞數量為7個；考慮到單胞排列數量對結構真實性能的影響，整個點陣結構的單胞數量為7×7×7。

進一步，考慮到增材制造工藝因素，選取原始點陣單胞的桿徑為1mm，其空間尺寸為5mm×5mm×5mm；

進一步，所述點陣結構選用工程塑料PA2200為原料，采用激光燒結工藝制作；

進一步，所述激光燒結的激光功率為30w，掃描速度為5m/s，掃描間距60μm，粉末沉積厚度100μm。

本發明的有益效果為：

1.本梯度結構設計流程簡易，可實現性強，不同于傳統梯度結構局限于制造加工的尺寸限制，提高了其使用性。

2.本梯度結構不同層的連接更加平穩，較其他梯度結構，連接處不存在結構突變導致的性能弱化問題。