一种仿生功能梯度热防护结构的增材制造方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115722680A(43)申请公布日2023.03.03(21)申请号202211416977.2(22)申请日2022.11.11(71)申请人南京航空航天大学地址210016江苏省南京市江宁区将军大道29号材料科学与技术学院(72)发明人占小红张家豪王磊磊刘婷(51)Int.Cl.B22F10/25(2021.01)B22F10/66(2021.01)B22F10/85(2021.01)B22F7/08(2006.01)B33Y10/00(2015.01)B33Y40/20(2020.01)B33Y50/02(2015.01)B33Y80/00(2015.01)权利要求书2页说明书5页附图2页(54)发明名称计性强、力学性能高等特点，在航天及国防军事一种仿生功能梯度热防护结构的增材制造领域具有广泛的应用潜力，扩展了增材制造的应方法用前景。(57)摘要本发明公开了一种仿生功能梯度热防护结构的增材制造方法，属于增材制造技术领域。所述方法是依据蜗牛外壳优越的性能将热防护结构蒙皮结构设计为隔热层、吸热层和承力层，隔热层是由低热导率耐烧蚀热防护材料组成，吸热层由蜂窝结构框架和膨胀泡沫材料组成，承力层由3D打印一体成型的功能梯度材料树根仿生结构组成。该方法包括如下步骤：确定热防护结构工件的蒙皮及框架三维模型尺寸；输入承载及隔热要求；蜂窝和树根仿生结构的拓扑优化；功能梯度层成分梯度的选择；设计仿生结构的三维数模；设计参数仿真验证；数模分层切片及激光加工路径规划；在蜂窝仿生结构内部添加吸热泡沫材料；在蜂窝仿生结构上表面涂敷热防护材料；后处理得到最终成形件。本发明实现了一种面向增材制造技术的仿生功能梯度热防护结构蒙皮CN115722680A制备，具有优异的隔热性能、轻质化的结构、可设CN115722680A权利要求书1/2页1.一种仿生功能梯度热防护结构的增材制造方法，其特征在于：鳞足蜗牛的外壳因层状结构具有优越的隔热和整体力学性能，参照该结构将热防护结构结构设计为隔热层、吸热层和承力层；隔热层是由低热导率耐烧蚀热防护材料组成，吸热层的主体结构是隔热蜂窝板，并在板的内部添加基于相变吸热的膨胀泡沫材料；承力层是热‑力性能过渡层蒙皮结构的核心，主要由功能梯度层和金属树根状仿生结构组成，所述功能梯度层为添加陶瓷颗粒的金属基复合材料，并且沿法线方向从框架层到隔热层陶瓷颗粒梯度增长；树根状仿生结构由纯金属构成，主根、侧根与功能梯度层形成的三角形具有结构稳定性，这就使得能安全高效地连接框架与蒙皮，所述承力层通过激光熔化沉积的工艺逐层打印；该方法包括以下步骤：1)获取热防护结构工件的耐热仿生蒙皮区域的半径、厚度等三维模型尺寸，确定增材区域大小并对其进行前期预处理；2)根据工程需求，确定热防护结构功能特性要求的防隔热能力，所述防隔热能力具体表现为一定时间内所能承受的热流大小；并确定与性能约束条件的仿生结构承载能力，所述承载能力具体表现为施加一定的法向和扭转载荷下仿生结构不破坏；3)根据热防护结构所要求的防隔热和承载能力，对新型功能梯度材料进行蜂窝和树根结构的拓扑优化，达到在二维平面结构、三维实体结构的合理拓扑设计从而实现良好地热‑力性能；4)在确定热防护结构的仿生结构后，需要对承力层进行成分梯度的选择；所述成分梯度即从底部区域的100％的金属A开始逐渐变为添加b％陶瓷颗粒的金属A基体复合材料；成分梯度的设计需确定沿法向方向顶部陶瓷颗粒的含量，并对分层切片的每一层选择渐变的梯度大小c％，从而便于打印过程的材料填充；5)根据拓扑优化参数与成分梯度参数设计三维数模，并通过有限元软件进行为热学及力学分析，得到仿生功能梯度热防护结构的温度场、应力、应变分布情况，若数值模拟结果能满足热防护结构的功能特性要求，则对仿生结构进行定型；若不能满足热防护结构的功能特性要求，则重新设定参数；6)对待打印仿生工件的数字化三维模型进行分单元和分层切片，并根据逐层循环的方式对激光增材制造的加工路径进行生成；7)以金属A粉末为送粉桶I的材料，以添加a％陶瓷颗粒粉末的金属A基体复合材料为送粉桶II的材料，通过调整两个送粉桶的转速从而实现不同成分梯度的打印，在同轴送粉打印过程中需注意树根结构在每一层的位置与打印长度；根据成分、热积累等因素确定激光增材制造过程中的激光参数、运动参数等；8)在打印完成后的隔热层结构内部添加基于相变吸热的膨胀泡沫材料；9)在打印完成后的隔热层结构上部涂敷低热导率耐烧蚀热防护材料，并通过铣削加工与后处理最终得到成形件。2.如权利要求1所述的一种仿生功能梯度热防护结构的增材制造方法，其特征在于，所述树根结构的树干部分的直径需大于50mm，主根的直径需大于10mm，侧根的直径需大于5mm，侧根的分布与主