具有吸波功能的3D打印制件的制作方法

具有吸波功能的3d打印制件
技术领域
1.本发明提供一种具有吸波功能的3d打印制件，属于功能材料制造技术领域


背景技术：

2.随着电磁环境越来越复杂，一些仪器设备对于吸波的要求也越来越高，逐渐成为军民市场上一个主要的评价指标。当前，针对吸波材料而言，主要分为主体吸波和表面涂层两种，表面涂层是分布在制件的表面，用来吸收外来电磁波的能量。而吸波体是将电磁波将部分电磁波反射到别的方向，打断电磁波的传输路径，另一方面将大部分电磁波以折射的形式进入到吸波体内，逐步迭代、逐步消耗电磁波的能量，最终电磁能量全部转化成热量得以释放。根据这一原理的电磁吸收体常用的有吸波蜂窝、吸波泡沫。但是二者均有着其缺点：
3.1)吸收方向限制。在复杂的电磁环境下，不能预测电磁的来源方向和角度。而吸波蜂窝是一种规则形状、规则方向的夹心材料，当以规则(45
°
)斜入射至蜂窝内时，电磁波可以在内部多次折射、多次反射，逐步消耗电磁波的能量。但很多角度(如0
°
)时，电磁波可能直接穿过隐身层直至内部金属部分，造成电磁波反射。针对吸收泡沫，由于泡沫内部泡孔大小、形状各异，电磁波在内部的运动曲线比较难预测，更不能保证电磁能量吸收强度高。在实际应用中，吸波蜂窝和泡沫的缺点已经较为明显。
4.2)吸收强度受限。由于蜂窝和泡沫均为均质材料，很难有微观上的梯度变化，限制了电测设计的空间。同时由于均质分布也造成了电磁波在内部吸收-反射的僵化，存在大量的反射的可能。而这种材料是量化制备、宏观制造而成的，不能调控微观胞元的形状、方向、疏密等变化。
5.但目前，市场对材料的要求已经从原来的单一频段、低量吸收、较大rcs逐渐变成了多方位隐身、强电磁波隐身及复杂环境生存等更高的隐身要求，同时为了适应不同尺寸、形状部件的气动、耐热等要求，需要定制化设计、定制化制备、定制化功能等不同的制备限制。为此，需要拓展新思路、新方法来实现设计意图和部件功能。


技术实现要素：

6.在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
7.本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种具有吸波功能的3d打印制件，本发明提供的具有吸波功能的3d打印制件为实现隐身材料多方位隐身、多频段隐身、高能量隐身及材料梯度设计与制造提供可行性。
8.本发明的技术解决方案：本发明提供一种具有吸波功能的3d打印制件，该3d打印制件为多层结构，每一层包括规律排布且具有吸波功能的多个相同的结构单元；对于位于
同一层的结构单元：任意相邻结构单元的侧面相交设置；对于位于不同层的结构单元：任意相邻两层的结构单元相同或不同，且任意相邻层的多个结构单元错落排布；所述结构单元为底端开口的规则空腔结构，且顶端面与底端面平行设置，侧面与两端面呈夹角设置。
9.进一步地，对于任意相邻层，对于上层的至少部分结构单元，下层的多个结构单元中找不到与所述至少部分结构单元共中心轴的结构单元。
10.进一步地，对于任意相邻层，上层的多个结构单元中至少部分设置在下层的多个结构单元的顶端面上。
11.进一步地，下层的多个结构单元中的部分结构单元的顶端面与上层的两个或三个或四个结构单元相连接。
12.进一步地，任意结构单元的顶端面被其他结构单元占据的面积不超过相应顶端面面积的2/3；和/或，任意层的多个结构单元的顶端面总的被占据的面积不小于总的顶端面面积的1/4。
13.进一步地，所述结构单元的侧面与底端面的夹角小于80
°
；和/或，任意相邻结构单元的侧面相交位置的高度不超过结构单元高度的1/2；和/或，所述的结构单元高度为0.1mm至100mm，和/或，所述结构单元壁厚为0.01mm至5mm。
14.进一步地，所述结构单元为中空的圆台或棱台。
15.进一步地，当所述结构单元为棱台时，所述棱台通过其侧面的棱部分与相邻的棱台相交连接。
16.进一步地，所述结构单元采用含有吸波粉末的热塑性材料3d打印成型。
17.进一步地，所述热塑性材料包括pa、pla、peek、peak、pp或pei；和/或，所述吸波粉体包括炭黑、羰基铁粉、铝粉、银粉、镍粉、石墨烯、碳纤维纳米颗粒。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
19.本发明通过设计特定的结构单元形式以及结构单元的连接、分布方式，能够使得不同角度的电磁波在制件表面发生反射和折射，当发生反射时，以不同角度在另一方向反射，即达到另一单元表面，并再次发生反射和折射，不断的重复直至电磁波消失；当发生折射时，电磁波进入到结构单元内部发生能量损耗，穿出后再次发生反射和折射，实现了多方位隐身、多频段隐身以及高能量隐身。可见，本发明将宏观的外形隐身概念和电磁传播物理原理带入到微观单元的结构设计中去，提出独有的微观单元的结构，实现隐身部件微观化设计和电磁吸波的定制化设计(也即实现微波微观控制和反复迭代吸收的功能)，同时结合了打印技术，将结构单元的定制化制造、梯度化制备提供了可能，有利于高性能隐身部件的量化制造与应用。
附图说明
20.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1示出了根据本发明实施例提供的第一类结构单元的结构示意图；
22.图2示出了根据本发明实施例提供的基于第一类结构单元的制件的单层结构示意
图；
23.图3示出了根据本发明实施例提供的基于第一类结构单元的制件的双层结构示意图，粗实线为第二层；
24.图4出了根据本发明实施例提供的第二类结构单元的结构示意图；
25.图5示出了根据本发明实施例提供的基于第二类结构单元的制件的单层结构示意图；
26.图6示出了根据本发明实施例提供的基于第二类结构单元的制件的双层结构示意图，粗实线为第二层。
具体实施方式
27.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
29.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
30.本发明一实施例，如图1-6所示，提供一种具有吸波功能的3d打印制件，该3d打印制件为多层结构，每一层包括规律排布且具有吸波功能的多个相同的结构单元，对于位于同一层的结构单元：任意相邻结构单元的侧面相交设置；对于位于不同层的结构单元：任意相邻两层的结构单元相同或不同，且任意相邻层的多个结构单元错落排布；所述结构单元为底端开口的规则空腔结构，且顶端面与底端面平行设置，侧面与两端面呈夹角设置。
31.也即，相邻结构单元属于部分重叠设置，也就是说将不同结构单元的某一部分重叠在一起成为一个实体，而不是使用外在的紧固件或胶黏剂粘接。
32.本发明实施例中，任意相邻层的多个单元错落排布也即不同层结构单元要错开，这样才能保证电磁波更好地进行折射和反射。
33.本发明实施例中，所述的结构单元的侧面也即外表面是朝向电磁波的入射方向的，也即即电磁波通过入射首先到达结构单元的侧面。举例来讲，如圆台结构，电磁波首先
到达最外面的弧面上。由于侧面与两端面呈夹角设置，这样每个结构单元的表面与电磁波入射方向存在一定的角度；当发生折射反应时能够达到其余单元的表面，保证了电磁波在结构单元表面进行多次反射、折射。
34.本发明实施例中，所述的结构单元允许的叠层的或阵列的厚度是根据产品的厚度要求而定。
35.可见，本发明实施例通过设计特定的结构单元形式以及结构单元的连接、分布方式，能够使得不同角度的电磁波在制件表面发生反射和折射，当发生反射时，以不同角度在另一方向反射，即达到另一单元表面，并再次发生反射和折射，不断的重复直至电磁波消失；当发生折射时，电磁波进入到结构单元内部发生能量损耗，穿出后再次发生反射和折射，实现了多方位隐身、多频段隐身以及高能量隐身。该设计结构是秉承从微观控制结构单元的思路，提出的高效隐身吸波的结构形式，实现了隐身材料的定制化控制、梯度化控制、微观均质化控制等加工要求和宽频段吸波、多方向隐身等功能要求，为隐身材料的精细控制提供可能路径，扩大了隐身材料的应用领域。
36.在上述实施例中，如图3和图6所示，为了实现相邻层的多个结构单元错落排布，保证隐身效果，对于上层的至少部分结构单元，下层的多个结构单元中找不到与所述至少部分结构单元共中心轴的结构单元。
37.在上述实施例中，为了保证层与层之间的连接强度，如图3和图6所示，对于任意相邻层，上层的多个结构单元中至少部分设置在下层的多个结构单元的顶端面上。
38.也即，上层的结构单元中，可能存在结构单元没有与下层的结构单元连接。
39.此外，设置在下层结构单元的顶端面上的结构单元是搭接固定在顶端面上的。
40.作为本发明一种具体实施例，如图3和图6所示，下层的多个结构单元中的部分结构单元的顶端面与上层的两个或三个或四个结构单元相连接。
41.也即，对于下层的某个结构单元来说，其顶端面上可能被搭接有四个结构单元，或者三个，或者两个，当然，这里说的四个单元、三个单元或者两个单元是指这些单元的一部分与该某个结构单元连接。
42.换句话说，如图3所示，上层的某个结构单元可能设置在下层的四个结构单元的顶端面上，也即与下层的四个结构单元的顶端面均存在连接关系；亦或者三个顶端面或两个顶端面。
43.在上述实施例中，为了同时保证隐身效果和整体的连接强度，任意结构单元的顶端面被其他结构单元占据的面积不超过相应顶端面面积的2/3；和/或，任意层的多个结构单元的顶端面总的被占据的面积不小于总的顶端面面积的1/4。
44.在上述实施例中，为了保证隐身效果，所述结构单元的侧面与底端面的夹角小于80
°
，优选25
°
至65
°
，更优选30
°
至60
°
。
45.在上述实施例中，为了保证隐身效果，任意相邻结构单元的侧面相交位置的高度不超过结构单元高度的1/2。
46.在上述实施例中，为了保证隐身效果，所述的结构单元高度为0.1mm至100mm，优选1mm至60mm；和/或，所述结构单元壁厚为0.01mm至5mm，优选1mm至3mm。
47.在上述实施例中，为了得到上述的制件，所述结构单元为中空的圆台或棱台。
48.作为本发明一种具体实施例，如图1-3所示，所述结构单元均为中空的圆台，参数
为：高度2mm、底面直径6mm、顶端直径2mm，壁厚1mm。不同结构单元重叠最大宽度尺寸为1mm。对于位于同层的结构单元，边缘位置，每个结构单元与其他相邻两个结构单元连接(部分重叠)，其他结构单元与相邻的四个结构单元连接；对于相邻的层，下层部分结构单元顶端面与上层四个结构单元连接，部分结构单元顶端面与上层两个结构单元连接。通过此种设计形式，可以将部件重量较实心三分之一以上，隐身角度从垂直入射增加到45
°
。
49.在上述实施例中，为了实现棱台结构单元的连接，如图5-6所示，当所述结构单元为棱台时，所述棱台通过包含棱的侧面部分与相邻的棱台相交连接。
50.也即棱台与棱台的重叠部分包括棱和棱两侧的侧面部分。
51.作为本发明一种具体实施例，所述的结构单元为中空的三棱台，参数为：底面正三角形边长34.5mm，高9mm，倾斜角度45
°
，不同结构单元重叠最大宽度尺寸为1mm。对于位于同层的结构单元，边缘位置，每个结构单元与其他相邻的一个结构单元连接，其他结构单元通过三个包含棱的侧面部分与其他相邻的三个结构单元连接；对于相邻的层，存在下层部分结构单元的顶端面与上层的三个结构单元连接。通过此种设计形式，使得部件重量减轻了一半以上，吸波强度提高了10db。
52.此外，作为本发明一种具体实施例，任一层的结构单元在边缘排列时可能存在不完全的结构单元体，将按照结构单元体外表面向内平移直至达到规定尺寸；即将结构单元体的外表面向内转移形成一个非规则的体。
53.在上述实施例中，为了实现结构单元的吸波，所述结构单元采用含有吸波粉末的热塑性材料3d打印成型。
54.在上述实施例中，所述热塑性材料包括pa、pla、peek、peak、pp或pei；和/或，所述吸波粉体包括炭黑、羰基铁粉、铝粉、银粉、镍粉、石墨烯、碳纤维纳米颗粒。
55.综上，本发明方案是将微观单元的定制化设计作为主要的申请内容；即将微小的特质单元引入到隐身材料的微观构建中，实现微波微观控制和反复迭代吸收的功能。也即，本发明将宏观的外形隐身概念和电磁传播物理原理带入到微观单元的结构设计中去，提出独有的微观单元的结构，实现隐身部件微观化设计和电磁吸波的定制化设计；同时，本发明结合了打印技术，将结构单元的定制化制造、梯度化制备提供了可能，将有利于高性能隐身部件的量化制造与应用。
56.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
57.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
58.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技
术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
59.本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。