[发明专利]一种曲母线锥形面点阵结构及其增材制造方法和装置

说明书

本发明属于增材制造领域，并具体公开了一种曲母线锥形面点阵结构及其增材制造方法和装置，其包括步骤：S1、建立曲母线锥形面点阵构件的三维包络面，所述三维包络面表示每层点阵结构的厚度；基于所述三维包络面构建若干层点阵结构模型，所述点阵结构模型包括阵列排列的多个胞元结构，所述胞元结构包括若干底点和一个顶点，底点与顶点通过杆连接；对任意第i层点阵结构模型，其中任意一个胞元结构的底点为第i‑1层点阵结构模型中若干胞元结构的顶点，i≥2；S2、基于若干层点阵结构模型，通过电弧增材工艺在曲母线锥形筒上逐层打印点阵结构，得到曲母线锥形面点阵构件。本发明可实现曲母线锥形面上点阵结构的高精度电弧增材制造。

技术领域

本发明属于增材制造领域，更具体地，涉及一种曲母线锥形面点阵结构及其增材制造方法和装置。

背景技术

曲母线锥形壳体形状件具有比强度高、耐高压等特点，作为飞行器的主承力结构支撑热防护系统，被广泛应用在航空航天领域，例如：火箭发动机储气箱体、火箭发动机壳体及喷管。飞行器在高速飞行过程中由于气动加热现象，其外壁会产生大量的热量。以某民用卫星运载火箭为例，以7马赫高超声速飞行时，其外蒙皮温度可达1800℃，以10马赫高超声速飞行时，其外壁温度高达2200℃，如果没有有效的绝热、隔热系统，外蒙皮高温热传导至曲母线锥形壳体内部，将直接影响内部电子仪器使用。

在曲母线锥形壳体上制备金属点阵结构可以起到隔热和防冲击作用。目前，金属点阵结构传统制造方法主要为：熔模铸造法、冲压成型法和拉伸网折叠法。熔模铸造工艺法需制备相应模具，工艺复杂，成本较高。冲压成型方法工艺简单，但冲压产生过多废料，材料利用率低。拉伸网折叠法节省材料，但工艺繁琐，加工过程中铝合金反复变形，结构强度低。

为了克服这些传统制造方法的劣势，使金属点阵结构的大规模应用成为可能，亟待研发一种制造周期短、工艺简单、材料利用率高的新方法，技术人员开始考虑利用增材制造技术来实现点阵结构的制造。如沈阳铸造研究所有限公司提出了一种基于激光增材制造高熔点Kelvin结构点阵金属的制备方法(CN 112008081A)，建立点阵模型后进行离散化切片处理获得路径点，通过激光熔化工艺获得孔径精细的高熔点Kelvin结构点阵构件。中国航发北京航空材料研究院提出了一种金属点阵结构变密度梯度材料的激光选区熔化制备工艺(CN 111451505A)，建立了变梯度点阵三维模型，利用切片软件切片后导入成形设备，采用激光选区熔化工艺参数实现了变密度的金属点阵结构制造。华中科技大学提出了一种电弧熔丝增材制造金属点阵结构的方法(CN 110560837A)，通过控制脉冲熔滴个数、打印过程中电弧枪路径，实现了任意结构的点阵结构的电弧熔丝增材制造。

然而，现有点阵结构的增材制造技术存在一定弊端。激光选区熔化技术多是在平面上进行点阵结构制造，无法实现在曲面、圆柱面上进行点阵结构的制造。另外，由于加工设备限制，所成型的点阵结构尺寸小，制造效率低，同时该技术对材料要求高，难以成形对激光反射率高的铝合金点阵结构。电弧增材制造技术能实现多种金属材料的点阵制造，并且制造效率高，但目前电弧增材制造点阵结构也只是解决了平面金属点阵结构的高效率、多材料制造，没有解决曲母线锥形面点阵的电弧增材制造技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种曲母线锥形面点阵结构及其增材制造方法和装置，其目的在于，实现曲母线锥形面上点阵结构的高精度电弧增材制造。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提出了一种曲母线锥形面点阵构件的增材制造方法，包括如下步骤：

S1、建立曲母线锥形面点阵构件的三维包络面，所述三维包络面表示每层点阵结构的厚度；

基于所述三维包络面构建若干层点阵结构模型，所述点阵结构模型包括阵列排列的多个胞元结构，所述胞元结构包括若干底点和一个顶点，底点与顶点通过杆连接；对任意第i层点阵结构模型，其中任意一个胞元结构的底点为第i-1层点阵结构模型中若干胞元结构的顶点，i≥2；