本實用新型屬于鏤空結構制備技術領域，具體涉及一種具有梯度功能性的鏤空點陣夾層。

背景技術：

鏤空結構作為一種特殊的材料結構形式，與傳統(tǒng)實心材料相比，具有更輕的質量，同時因鏤空結構及排布的不同，也會有不同程度的比強度效益(強度/重量之比)。目前鏤空結構主要應用于航空航天及醫(yī)療領域，例如蒙皮結構、非主承力框架，人體醫(yī)療植入體等，因受制于傳統(tǒng)加工工藝的工藝局限性，鏤空點陣結構形式一般都較為簡單，主要以十字交叉形、金字塔形為主，整體強度和功能性都有所欠缺。

傳統(tǒng)夾層結構內部填充物多為形式均一的填充或實心結構，不僅質量較大，而且無法實現(xiàn)梯度功能性，傳統(tǒng)鏤空點陣結構的制備多采用粘接或沖壓后焊接的方式，結構自由度受諸多工藝性制約，實現(xiàn)工序步驟多，風險較大，芯部與夾層作為兩部分連接在一起，連接區(qū)域的強度較低。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是提供一種具有梯度功能性的鏤空點陣夾層，解決了鏤空點陣夾層質量較大、整體強度和功能性都有所欠缺，無法實現(xiàn)梯度功能性的問題。

本實用新型一種具有梯度功能性的鏤空點陣夾層所采用的技術方案是，包括兩層包覆板，包覆板之間設置有芯部夾層，芯部夾層包括若干個相互連接的鏤空點陣填充單元，每個鏤空點陣填充單元內均通過若干個微小密集的鏤空胞元組成。

本實用新型的特征在于，

每個鏤空點陣填充單元的外接體均為呈正方體的外包輪廓體，且每個外包輪廓體的邊長均為3-10mm。

外包輪廓體邊長上均勻分布有12-20個結點，外包輪廓體內部均勻分布有9個結點，所有的結點按照特定的空間分布規(guī)律連接形成具有空間分布特征的鏤空點陣填充單元，特定的空間分布規(guī)律為：選取任意結點為確定的結點并作為起始點，采用圓桿將結點兩兩連接成閉合結構。

圓桿直徑為外包輪廓體邊長尺寸的5-20％。

任意圓桿與外包輪廓體表面的夾角為35°-45°。

本實用新型的有益效果是：本實用新型一種具有梯度功能性的鏤空點陣夾層通過采用鏤空點陣填充單元形成鏤空夾層，結構質量輕，比強度高，減重效益最大可達85％以上，同時具備隔熱、隔音等功能性效益；實現(xiàn)了結構輕質化和功能化的綜合效益提升，避免單一結構夾心板對多工況下應用領域下的性能不匹配現(xiàn)象，最終實現(xiàn)梯度功能，有很好的使用價值。

附圖說明

圖1是本實用新型一種具有梯度功能性的鏤空點陣夾層的結構示意圖；

圖2是本實用新型一種具有梯度功能性的鏤空點陣夾層中鏤空點陣填充單元的結構示意圖；

圖3是本實用新型一種具有梯度功能性的鏤空點陣夾層中鏤空點陣填充單元的實體結構示意圖；

圖4是本實用新型實施例1中具有梯度功能性的鏤空點陣夾層的剖視圖；

圖5是本實用新型實施例2的鏤空點陣填充單元的結構示意圖；

圖6是本實用新型實施例2的鏤空點陣填充單元的實體結構示意圖；

圖7是本實用新型實施例2的結構示意圖；

圖8是本實用新型實施例2的剖視圖。

圖中，1.包覆板，2.芯部夾層，3.鏤空點陣填充單元，4.外包輪廓體，5.結點，6.圓桿。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本實用新型進行詳細說明。

本實用新型一種具有梯度功能性的鏤空點陣夾層，如圖1所示，包括兩層包覆板1，包覆板1之間設置有芯部夾層2，芯部夾層2包括若干個相互連接的鏤空點陣填充單元3，每個鏤空點陣填充單元3內均通過若干個微小密集的鏤空胞元組成。

如圖2所示，每個鏤空點陣填充單元3的虛擬外接體均為呈正方體的外包輪廓體4，且每個外包輪廓體4的邊長均為3-10mm，正方體狀的外包輪廓體4便于芯部夾層2中每個鏤空胞元外部接合面能緊密連接，避免出現(xiàn)鏤空胞元間結構形式的錯層或突變。

考慮到整體的承載均勻性及連接質量，外包輪廓體4邊長上均勻分布有12-20個結點5，外包輪廓體4內部均勻分布有9個結點5，所有的結點5按照特定的空間分布規(guī)律連接形成具有空間分布特征的鏤空點陣填充單元3，特定的空間分布規(guī)律為：選取任意結點5為確定的結點并作為起始點，如圖3所示，采用圓桿6將結點5兩兩連接成閉合結構。

圓桿6直徑為外包輪廓體4邊長尺寸的5-20％。

任意圓桿6與外包輪廓體4表面的夾角為35°-45°，這樣可以在選區(qū)激光熔化過程中保證結構不需要添加支撐，可一次整體成形。

本實用新型的使用過程：首先，將繪制的鏤空點陣夾層結構的三維數(shù)據(jù)模型轉換為STL格式數(shù)據(jù)并導出；然后，將得到的STL格式數(shù)據(jù)導入商用模型剖分軟件中，并確定激光選區(qū)熔化過程中零件的擺放位置，利用商用模型剖分軟件將模型剖分為片層數(shù)據(jù)導入商用3D打印設備中；最后，制定激光選區(qū)熔化加工過程的成形工藝，設定激光選區(qū)熔化參數(shù)，得到一次整體成形的具有梯度功能性的鏤空點陣夾層結構，其中激光選區(qū)熔化參數(shù)具體為：激光功率300-400KW、掃描速度500-1500mm/s、搭接率30-60％、鋪粉層厚0.03-0.08mm。

實施例1

具有梯度功能性的鈦合金鏤空點陣夾層的成形制備

(1)設計并繪制鈦合金鏤空點陣夾層的三維模型

如圖2-3所示，設計出菱形的鏤空胞元結構，正方體外包輪廓體的邊長采用5mm；在外包輪廓體4上確定12個結點5，具體分布為：外包輪廓體4各邊長上確定1個結點，共12個結點5；外包輪廓體4內部確定9個結點5，整體鏤空點陣填充單元3共有21個結點5，所有的結點5確定遵循規(guī)律，規(guī)律為將各結點5按照規(guī)律連接時：圓桿6與外包輪廓體4表面之間夾角為35°。

將設計好的的鏤空點陣夾層結構繪制出來、根據(jù)實際裝配尺寸及工況設計鏤空點陣夾層結構包覆板1和芯部夾層2的尺寸，其適用工況為在某一維度上存在載荷漸變的蒙皮結構及具有類似工況的結構，并將三維數(shù)據(jù)模型轉換為STL格式數(shù)據(jù)導出。

(2)將STL數(shù)據(jù)格式導入商用模型剖分軟件中，在模型剖分軟件中確定零件的擺放位置，擺放零件時以夾心板兩實體側板垂直于成形基材進行擺放，同轉變擺放角度使夾心實體板與刮刀運動方向呈60°。

(3)設定加工過程工藝參數(shù)：激光功率360kW、掃描速度700mm/s、搭接率35％、鋪粉層厚為0.05mm，取鈦合金粉末并將均勻的鋪在激光選區(qū)熔化成形設備成形倉內的成形基材上，并開始向成形倉中通入惰性保護氣體，監(jiān)測成形倉內氧氣含量降至0.1％以下，啟動成形任務開始零件激光選區(qū)熔化加工過程，成形結束后，將成形倉內的殘余粉末進行回收，利用壓縮空氣清理零件上附著的殘余金屬粉末，如圖4所示，得到具有梯度功能性的鏤空點陣夾層。

本實施例中的鏤空點陣夾層重量為34.3g，對比原始實心面板結構重量為148g，減重幅度達到85％以上，同時因整體結構具有連續(xù)的梯度漸變性，可以實現(xiàn)特定工況下的梯度功能性，實現(xiàn)結構功能效益的最大化，采用選區(qū)激光熔化技術一次成形具有梯度功能性的鏤空點陣夾層結構，整個工藝流程簡潔快速，同時避免了傳統(tǒng)焊接、粘接工藝所造成的零件各部分工藝連接部位的性能差異隱患的問題。

實施例2

具有梯度功能性的鋁合金鏤空點陣夾層的成形制備

(1)設計并繪制鋁合金鏤空點陣夾層的三維模型

如圖5-6所示，設計出立方枝杈狀的的鏤空胞元結構，正方體外包輪廓體的邊長采用3mm；在外包輪廓體4上確定20個結點5，具體分布為：外包輪廓體4各頂點確定一個結點5，共8個，各邊長上確定1個結點，共12個；外包輪廓體4內部確定9個結點5，整體鏤空點陣填充單元3共有29個結點5，所有的結點5確定遵循規(guī)律，規(guī)律為將各結點5按照規(guī)律連接時：圓桿6與外包輪廓體4表面之間夾角為40°。

將設計好的的鏤空點陣夾層結構繪制出來、根據(jù)實際裝配尺寸及工況設計鏤空點陣夾層結構包覆板1和芯部夾層2的尺寸；適用工況為在某兩個維度上存在載荷漸變的L形板結構及具有類似工況的結構，結構特征為在兩個維度上存在載荷漸變的情況，L形板的拐角處在實際應用中相對于板的兩頭，會存在應力集中，因此為受載強區(qū)；將三維數(shù)據(jù)模型轉換為STL格式數(shù)據(jù)導出。

(2)將STL數(shù)據(jù)格式導入商用模型剖分軟件中，在模型剖分軟件中確定零件的擺放位置，擺放零件時以夾心板兩實體側板垂直于成形基材進行擺放，同轉變擺放角度使夾心實體板與刮刀運動方向呈45°。

(3)設定加工過程工藝參數(shù)：激光功率300kW掃描速度：500mm/s搭接率：30％，鋪粉層厚為：0.03mm，取鋁合金粉末并將粉末均勻的鋪在激光選區(qū)熔化成形設備成形倉內的成形基材上，并開始向成形倉中通入惰性保護氣體，監(jiān)測成形倉內氧氣含量降至0.1％以下，啟動成形任務開始零件激光選區(qū)熔化加工過程，成形結束后，將成形倉內的殘余粉末進行回收，利用壓縮空氣清理零件上附著的殘余金屬粉末，如圖7-8所示，得到具有梯度功能性的鏤空點陣夾層。

本實施例中的L形板鏤空點陣夾層重量約為6g，對比原始實心面板結構重量為30g，減重幅度達到80％以上，同時因整體結構具有連續(xù)的雙重梯度漸變性，可以實現(xiàn)特定工況下兼顧結構輕量化和承載高效化的雙重梯度功能性，實現(xiàn)結構功能效益的最大化，采用選區(qū)激光熔化技術一次成形具有梯度功能性的鏤空點陣夾層結構，整個工藝流程簡潔快速，同時避免的傳統(tǒng)焊接、粘接工藝所造成的零件各部分工藝連接部位的性能差異隱患。

實施例3

(1)設計并繪制鈦合金鏤空點陣夾層的三維模型

設計出菱形的鏤空胞元結構，正方體外包輪廓體的邊長采用10mm；在外包輪廓體4上確定12個結點5，具體分布為：外包輪廓體4各邊長上確定1個結點，共12個結點5；外包輪廓體4內部確定9個結點5，整體鏤空點陣填充單元3共有21個結點5，所有的結點5確定遵循規(guī)律，規(guī)律為將各結點5按照規(guī)律連接時：圓桿6與外包輪廓體4表面之間夾角為45°。

將設計好的的鏤空點陣夾層結構繪制出來、根據(jù)實際裝配尺寸及工況設計鏤空點陣夾層結構包覆板1和芯部夾層2的尺寸，其適用工況為在某一維度上存在載荷漸變的蒙皮結構及具有類似工況的結構，并將三維數(shù)據(jù)模型轉換為STL格式數(shù)據(jù)導出。

(2)將STL數(shù)據(jù)格式導入商用模型剖分軟件中，在模型剖分軟件中確定零件的擺放位置，擺放零件時以夾心板兩實體側板垂直于成形基材進行擺放，同轉變擺放角度使夾心實體板與刮刀運動方向呈60°。

(3)設定加工過程工藝參數(shù)：激光功率400kW、掃描速度1500mm/s、搭接率60％、鋪粉層厚為0.08mm，取鈦合金粉末并將均勻的鋪在激光選區(qū)熔化成形設備成形倉內的成形基材上，并開始向成形倉中通入惰性保護氣體，監(jiān)測成形倉內氧氣含量降至0.1％以下，啟動成形任務開始零件激光選區(qū)熔化加工過程，成形結束后，將成形倉內的殘余粉末進行回收，利用壓縮空氣清理零件上附著的殘余金屬粉末，得到具有梯度功能性的鏤空點陣夾層。

本實用新型通過采用鏤空點陣填充單元形成鏤空夾層，結構質量輕，比強度高，減重效益最大可達85％以上，同時具備隔熱、隔音等功能性效益；實現(xiàn)了結構輕質化和功能化的綜合效益提升，避免單一結構夾心板對多工況下應用領域下的性能不匹配現(xiàn)象，最終實現(xiàn)梯度功能，有很好的使用價值。