一种基于剪纸结构的曲面金属蜂窝快速成型方法

1.本发明涉及先进智能结构技术领域，尤其涉及一种基于剪纸结构的曲面金属蜂窝快速成型方法。


背景技术：

2.金属蜂窝结构因其抗高风压、减震、隔音、保温、阻燃和比强度、比刚度高（比强度、比刚度为专有名词：比强度是材料的抗拉强度与材料表观密度之比，法定单位为牛/特（n/tex）。比强度越高表明达到相应强度所用的材料质量越轻。比刚度是指材料的弹性模量与其密度的比值，亦称为“比模数
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或“比弹性模量”，是结构设计，特别是航空、航天结构设计对材料的重要要求之一。）等优良性能，在航空航天、交通装备、物流运输、建筑施工等领域应用广泛。
3.现有制造蜂窝芯材的主要方法是成型法和拉伸法。成型法需要先把金属薄板带压制成波纹状，再焊接或胶接成蜂窝状，制备效率较低；而拉伸法前期涂胶对涂胶宽度、胶水材料成分配比、胶水粘接力的要求高，这些因素对金属蜂窝芯材的结构尺寸和力学稳定性影响较大。


技术实现要素：

4.为解决现有技术的缺点和不足，提供一种基于剪纸结构的曲面金属蜂窝快速成型方法，通过对薄壁材料简单加工操作可快速制备成型出多角蜂窝单元状金属蜂窝，且因其重量轻、弹性变形范围大、斜向承力效果好的特点，将有望应用于建筑施工、物流运输、交通装备、航空航天等装置的碰撞吸能、防火隔热、减材减重等环节。
5.为实现本发明目的而提供的一种基于剪纸结构的曲面金属蜂窝快速成型方法，包括有如下步骤：步骤一：根据所需蜂窝结构的外形尺寸，取长宽尺寸为l
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w、厚度为t远小于长l、宽w的薄壁材料；步骤二：根据步骤一中蜂窝结构所需的蜂窝单元形状与大小，将薄壁材料加工多个剪纸状切口，所述剪纸状切口贯穿薄壁材料的前后两端面；所述步骤一中所述的金属蜂窝尺寸和薄壁材料尺寸的关系取决于蜂窝单元形状与大小，而蜂窝单元的形状与大小可以由剪纸状切口的切口长度a、同一行的剪纸状切口两两间距b来确定：六角蜂窝单元各角与切口长度a一定时，同一行切口间距b越大，六角蜂窝单元越狭长，所需的薄壁材料l越小，w越大。
6.步骤三：采用拉伸机及夹具，沿着垂直于剪纸状切口的方向，将步骤二中处理后的薄壁材料均匀拉伸展开，形成由六角蜂窝单元组成的蜂窝结构。步骤三中所述的剪纸状切口不一定按照同一规则进行排布，可根据实际需要进行切口疏密、长短的组合设计，从而实现各部位金属蜂窝单元不同大小、形状的组合排布，得到适合不同环境工况的梯度蜂窝结构。
7.作为上述方案的进一步改进，所述步骤二中的剪纸状切口平行交错分布在薄壁材料上，同一行的剪纸状切口两两间距为b，所述剪纸状切口的切口长度为a，相邻行内的剪纸状切口行距为h。
8.作为上述方案的进一步改进，所述步骤三中形成由边长为b和1/2（a-b） 的六角蜂窝单元组成的金属蜂窝。
9.作为上述方案的进一步改进，所述步骤二中剪纸状切口由模切、激光切割、线切割或者化学蚀刻制得。
10.作为上述方案的进一步改进，所述薄壁材料为具有一定抗撕裂强度、剪切强度和一定可塑性，能在加工好剪纸状切口后拉伸成型的材料，例如，金属材料（不锈钢，铝合金等）、用树脂浸渍的玻璃纤维织物、芳族纤维纸、牛皮纸、石墨纤维、凯夫拉纤维。
11.作为上述方案的进一步改进，通过本方法制造出的蜂窝结构适用于平面、曲面以及多维立体面，这也得益于它弹性变形范围大、无胶接、焊接且剪纸结构材料连续、力学性能稳定等优点。
12.本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明提供的一种基于剪纸结构的曲面金属蜂窝快速成型方法，先在薄壁材料上加工出一定规则的切口，然后通过均匀拉伸薄壁材料至一定程度形成金属蜂窝。该快速成型方法无需进行胶接、焊接等工序，避免了成型法和拉伸法工艺复杂、工序繁多、影响因素多的问题；同时该成型方法下的金属蜂窝是由单个蜂窝芯材拉伸形成，不需要胶粘、焊接，因而节省胶粘、焊接材料，其力学性能更稳定，成型后的金属蜂窝更轻；因其拉伸成型后的蜂窝并非完全垂直于拉伸平面/蜂窝面板，因此成型后的蜂窝在垂直蜂窝面板
±
30
°
范围内斜向承力效果更佳；本方案中的蜂窝成型方法，由于无胶接、焊接且剪纸结构材料连续的特点，使其横向弹性变形范围更大，特别适用于曲面结构蜂窝部件的快速成型。
13.本发明可以解决目前金属蜂窝芯成型工艺复杂、工序繁多的问题；拉伸法与成型法中涂胶宽度、胶水材料成分配比、胶水粘接力等因素对金属蜂窝芯材料性能稳定性影响较大的问题；以及焊接材料中添加的其它材料导致制备出的蜂窝材料整体成分不均匀，力学性能较差的问题。本发明将中国传统剪纸工艺和科学分析实验相结合，以薄壁材料为原材料，对其进行外轮廓切割、成型切口加工、拉伸展开成型，得到更轻、力学性能更稳定、弹性变形范围更大、一定范围内斜向承力效果更佳的金属蜂窝。本发明与现有技术相比具有以下优点：加工操作简单、蜂窝成型效率高、加工成本低廉；成型后的金属蜂窝重量轻、比能量吸收高；力学性能更稳定、弹性变形范围大，特别适用于曲面结构蜂窝部件的快速成型；拉伸成型后的斜向蜂窝在一定范围内的斜向承力效果更佳；可根据实际需要进行不同部位金属蜂窝单元大小、形状的排布设计，得到适合不同环境工况的金属蜂窝。
附图说明
14.以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：图1 为本发明的薄壁材料切口示意图；图2 为本发明制备得到的牛皮纸蜂窝结构侧拍视图；图3 为本发明的实例1的效果图；
图4 为本发明的实例2的效果图。
具体实施方式
15.如图1、2所示，本发明提供的一种基于剪纸结构的曲面金属蜂窝快速成型方法，取厚度尺寸远小于长、宽尺寸的薄壁材料，薄壁材料包括但不限于金属材料。根据对蜂窝结构的尺寸需求进行切口尺寸的设计，如蜂窝芯高度不大于2h，六角形蜂窝边长为b和1/2（a-b），从而设计切口尺寸如下：切口长度为a，同一行切口间距为b，切口行距为h，相邻行切口交错排布。通过模切机、激光切割机、线切割机床或者化学蚀刻机，按照设计好的切口尺寸和排布方式，在薄壁材料表面进行切口加工，切口左右各留有一个圆角，圆角的作用是防止拉伸的过程中，接口处应力集中导致切口撕裂开，其表面剪纸状切口如图1所示，其中且切口贯穿薄壁材料边缘部分，上下各留出一部分不加工切口以便为后续拉伸加工预留夹持空间。将加工好剪纸状切口的薄壁材料固定于拉伸机的压板夹具中，夹具夹持部位为拉伸方向的两端。如夹具夹持范围不够，可适当填充垫板使夹持更紧更稳定，将夹具安装固定在拉伸机拉头，设定拉伸机的拉伸位移速度20mm/min左右。开启拉伸机，拉伸过程为匀速拉伸，且沿着垂直于切口的方向进行。当拉伸位移距离达到薄壁材料长度的20%-40%，或薄壁材料切口的变形已使其形成六边形形状时，停止拉伸机。经此均匀拉伸，薄壁材料发生塑性变形，出现六角蜂窝状单元，简单校形后得到金属蜂窝结构。蜂窝结构包括有曲面、平面及多维立体面。均匀拉伸的方法包括但不限于采用拉伸机及特定夹具等。
16.根据本发明的技术方案选取具体实施例进行说明如下：实施例1：本发明的实施例1是采用该方法快速成型的一种基于剪纸结构的牛皮纸蜂窝。
17.本实施例的步骤如下：步骤一：取厚度 115微米，宽 120 mm，长 180 mm的牛皮纸；步骤二：对牛皮纸表面进行加工，加工成型的剪纸段切口各参数分别为：切口长12.6 mm，宽0.3 mm，切口两端倒圆角，圆角半径0.15 mm，切口间距4.5 mm，纵向行距3 mm，切口行数21，且相邻行间交错排布，切口间隙正对相邻行切口中心；步骤三：将处理好的牛皮纸上下两端用夹板夹住使其拉伸时受力均匀（115微米在拉伸夹具夹持范围内，普通夹具即可夹持）；将夹好的牛皮纸拉伸至一定程度，使六角蜂窝单元逐渐成型直至产生塑性变形，相对稳定后得到单元边长约6 mm的六角蜂窝单元状牛皮纸蜂窝结构，如附图3所示。
18.实施例2：本发明的实施例2是采用该方法快速成型的一种基于剪纸结构的不锈钢极薄带金属蜂窝（其金属蜂窝形状为六边形，但切口间距很小（2mm），使得成型后的六边形的上下边很小（2mm），看起来像四边形）。
19.本实施例的步骤如下：步骤一：取厚度300微米，宽120mm，长200mm的不锈钢极薄带；步骤二：将其表面进行切口加工（实施例2使用的切割方法便是化学蚀刻，效果极佳），剪纸段各个参数分别为：切口长16 mm，宽0.3 mm，切口两端倒圆角，圆角半径 0.15 mm，切口间距2 mm，纵向行距3 mm，切口行数21，且相邻行间交错排布，切口间隙正对相邻行
切口中心；步骤三：将处理好的不锈钢极薄带上下两端用特定夹具夹住以便拉伸时不锈钢极薄带均匀受力；之后将夹好的不锈钢极薄带及其夹具放置在拉伸机上拉伸至一定程度，使其发生塑性变形，从而得到薄壁材料为不锈钢极薄带的金属蜂窝结构，如附图4所示。
20.以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。