[发明专利]基于增材制造的变体梯度点阵结构

说明书

本发明公开了基于增材制造的变体梯度点阵结构，包括重复层叠并相互连接的多个变体梯度点阵层；所述变体梯度点阵层包括重复排列并相互连接的多个变体梯度单胞列；所述变体梯度单胞列包括沿单一方向重复排列并相互连接的多个点阵单胞；所述点阵单胞由原始点阵单胞沿一个或多个方向进行尺寸延拓形成；本发明的点阵结构改善了现有梯度结构连接处的结构突变问题。在保证其具有高强度的承载能力的同时，提高其能量吸收能力，使得其具有更好的抗冲击特性。

技术领域

本发明涉及点阵结构，尤其涉及一种面向增材制造的梯度点阵结构及其设计方法。该结构连接稳定，有着不同于传统点阵结构的力学响应，有着高强度，高刚度以及优异的能量吸收能力的优势。

背景技术

点阵结构以其轻质、高比强度和高比刚度的优势在航天、汽车等领域的轻量化设计上有着举足轻重的地位。但点阵结构的复杂内部微结构对于传统制备工艺有着极大的挑战，随着增材制造技术的发展，将其应用于点阵结构的制备成为了趋势。其不仅能保证内部复杂微结构的精度和成型质量，还能有效保障力学性能。此外，相比于传统制备工艺，采用增材制造技术制备点阵结构还也到了节约材料的目的。

近年来，具有随区域变化而性能变化的梯度点阵结构以其独特的优势引起了广泛关注，专利“CN107498948A”公布了一种通过改变单胞的杆径来实现结构梯度化的方法，并且证实了其具有更好的抗冲击防护效果。但是由于结构不同层的尺寸差异性大，不仅对制造加工提出了要求，还会导致结构在一定冲击下出现破坏失效，因而，专利“CN109163212”提出了一种带过渡层的梯度点阵结构，但是这种结构存在梯度点阵结构常见的节点连接弱化问题，尤其是在不同直径杆的汇交处。受载下，节点应力集中效应突出，极大地影响了整体结构的承载特性。

发明内容

本发明的目的是针对当前梯度结构中存在的接触弱化问题，提出一种新的梯度化策略，改善梯度结构连接处的结构突变问题。设计了具有密度和拓扑结构变化的梯度结构，在保证其具有高强度的承载能力的同时，提高其能量吸收能力，使得其具有更好的抗冲击特性。

本发明的基于增材制造的变体梯度点阵结构，包括重复层叠并相互连接的多个变体梯度点阵层；所述变体梯度点阵层包括重复排列并相互连接的多个变体梯度单胞列；所述变体梯度单胞列包括沿单一方向重复排列并相互连接的多个点阵单胞；所述点阵单胞由原始点阵单胞沿一个或多个方向进行尺寸延拓形成，尺寸延拓指的是尺寸伸长或缩短；所述变体梯度单胞列中的各个点阵单胞的一个或多个方向的尺寸是渐变的，进而形成梯度结构；而整个点阵结构中的各个单胞的杆径相同，因此，避免点阵结构相邻单胞的杆件连接处出现节点连接突变、性能弱化问题。

进一步，所述原始点阵单胞为体心立方单胞；当然此类结构设计单胞构型不局限于体心立方结构，同样适用于其余点阵结构单胞，并且梯度结构整体设计单胞数量与梯度层数也不限制于有限数量。通过对单胞结构尺寸与梯度点阵结构整体数量的调整可延拓至任意尺寸和任意层数。

进一步，所述变体梯度点阵层为7层；所述变体梯度单胞列为7列且各个变体梯度单胞列中的点阵单胞数量为7个；考虑到单胞排列数量对结构真实性能的影响，整个点阵结构的单胞数量为7×7×7。

进一步，考虑到增材制造工艺因素，选取原始点阵单胞的杆径为1mm，其空间尺寸为5mm×5mm×5mm；

进一步，所述点阵结构选用工程塑料PA2200为原料，采用激光烧结工艺制作；

进一步，所述激光烧结的激光功率为30w，扫描速度为5m/s，扫描间距60μm，粉末沉积厚度100μm。

本发明的有益效果为：

1.本梯度结构设计流程简易，可实现性强，不同于传统梯度结构局限于制造加工的尺寸限制，提高了其使用性。

2.本梯度结构不同层的连接更加平稳，较其他梯度结构，连接处不存在结构突变导致的性能弱化问题。