[发明专利]基于正方形单元多晶型微桁架结构的复合吸能结构及其3D打印方法

说明书

本发明涉及基于正方形单元多晶型微桁架结构的复合吸能结构及其3D打印方法，复合吸能结构由沿Z轴方向逐层进行3D打印的若干层多晶型微桁架结构组成，多晶型微桁架结构包括以其中心线为对称线的多组孪晶型微桁架区域，每组孪晶型微桁架区域由以中心线为对称线的左右两部分单晶型微桁架结构分别绕Z轴做方向相反、角度相同旋转形成，二维点阵列结构单元为正方形单元。本发明通过在点阵型微桁架结构中人为划分不同的区域、区域内部设置不同取向的点阵排列来模仿多晶材料内部的微观结构，通过划分更多区域来减小每个晶格的尺寸参数，使点阵型微桁架结构得到类似晶粒细化的强化效果，在保证轻量化的同时进一步提高其力学性能。

技术领域

本发明属于复合吸能结构技术领域，涉及一种基于正方形单元多晶型微桁架结构的复合吸能结构。

背景技术

多孔结构普遍存在于自然界之中，例如动物骨骼、蜂窝结构和植物茎秆等都属于多孔结构。这种特殊的结构具有众多优异的力学性能，密度小、重量轻、具有良好的比强度和比刚度。由于其具有成为理想的轻质结构材料的潜力，近年来引起了人们的普遍研究。多孔结构包括蜂窝材料、泡沫金属材料以及点阵材料等等。通常,多孔结构单位体积的重量仅是其他材料的十分之一。

点阵型微桁架结构是一类由周期性排列的节点和连杆组合而成的新型有序多孔材料，这种新型结构将材料本身机械性能优势与几何取向的自由设计相结合。与金属泡沫、蜂窝材料等传统多孔结构相比，点阵型微桁架结构具有更突出的比刚度、比强度和良好的单位质量能量吸收特性，是目前国际上普遍认可的具有发展前景的轻质高强结构材料之一。

点阵型微桁架结构可以通过结构的重新设计结合相应的理论计算，表现出常规材料难以具有的某些特性，如负泊松比、减振隔热等功能特性；进一步，通过选用合适的材料来配合增材制造技术，点阵型微桁架结构可以实现轻质高强的结构特性。点阵型微桁架结构由于其具有卓越的物理和机械性能，已越来越多地应用于汽车、生物机械、航空航天和建筑等行业。

然而，点阵型微桁架结构的设计和制造仍然是一个挑战，并且其结构与性能的关系尚未完全解决。因此，若要使点阵型微桁架结构在实际应用中满足使用要求，尤其是对于要求较高的生物机械、航空航天等方面取得更广泛的应用，就需要开发新的桁架结构制备工艺和材料设计方法，实现结构与性能的对应。

迄今为止，针对这种新型结构材料，研究成果主要集中于具有单一取向的点阵型微桁架结构。这种结构的弊端在于其单一的晶格取向导致压缩过程中形变往往高度集中在某些特定的晶格方向和平面上。当载荷超过这种结构的屈服极限时，其应变集中的部分同时失效，这种现象在应力-应变曲线中体现为，在很大的应变范围内应力的大幅度下降，最终导致其力学性能和吸收能量的降低，这种变形行为类似于单晶材料中由于滑移引起的应力减小。因此，如何对这种具有单一取向的点阵型微桁架结构的复合吸能材料进行改进成为了研究重点与热点。本发明也正是基于此而提出的。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种基于正方形单元多晶型微桁架结构的复合吸能结构及其3D打印方法，以解决现有单晶材料存在的力学性能和吸收能量降低等问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的技术方案之一提出了一种基于正方形单元多晶型微桁架结构的复合吸能结构，由沿Z轴方向逐层进行3D打印的若干层多晶型微桁架结构组成，定义由单一取向的二维点阵结构单元所组成的点阵型微桁架结构为单晶型微桁架结构，所述的多晶型微桁架结构包括以其中心线为对称线并沿该中心线走向依次排列的多组孪晶型微桁架区域，每组孪晶型微桁架区域由以中心线为对称线的左右两部分单晶型微桁架结构分别绕Z轴做方向相反、角度相同旋转形成，所述的二维点阵列结构单元为正方形单元。

进一步的，旋转的角度为7.5°、15°、22.5°、30°、37.5°或42.5°。

进一步的，沿中心线走向的相邻两组孪晶型微桁架区域呈镜像对称关系。