5月26日-6月10日：這8場(chǎng)增材制造先進(jìn)設(shè)計(jì)與工藝仿真講座別錯(cuò)過(guò)！

來(lái)源：3D打印技術(shù)參考

導(dǎo)讀：增材制造，作為一種先進(jìn)的制造技術(shù)，通過(guò)層層連接工藝，為復(fù)雜部件的設(shè)計(jì)和成型提供了前所未有的機(jī)遇。與此同時(shí)，拓?fù)鋬?yōu)化作為一種先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，使得多孔介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以任意設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)特定的力學(xué)性能。其中，由于金屬三維晶格結(jié)構(gòu)具有比強(qiáng)度高、機(jī)械效率高、能量吸收能力強(qiáng)等優(yōu)良的力學(xué)性能，在輕型航空航天、交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)、沖擊防護(hù)裝置等多種工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。實(shí)際上，金屬晶格結(jié)構(gòu)已經(jīng)成熟用于我國(guó)航天器結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。

接下來(lái)筆者為大家總結(jié)增材制造在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用場(chǎng)景，并帶大家走進(jìn)金屬晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在各領(lǐng)域發(fā)揮的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。強(qiáng)烈推薦大家關(guān)注仿真秀《2022DfAM先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造工藝系列講座》，詳情見(jiàn)后文。

一、晶格結(jié)構(gòu)特性與能量吸收能力

晶格材料最重要的特性之一是能量吸收能力，其特征在于壓縮過(guò)程中能夠吸收或耗散機(jī)械能。已經(jīng)證實(shí)，大多數(shù)晶格結(jié)構(gòu)，如金字塔晶格、三維Kagome晶格、四面體晶格以及鉆石晶格等，可以通過(guò)改變長(zhǎng)徑比或晶胞大小等幾何參數(shù)獲得非常優(yōu)異的能量吸收性能。

此外，可設(shè)計(jì)的具有晶格結(jié)構(gòu)的夾芯板也被證明具有出色的能量吸收性能。除了幾何參數(shù)外，還可以通過(guò)復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如梯度結(jié)構(gòu)、金屬泡沫填充結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)和不同的單胞結(jié)構(gòu)）來(lái)調(diào)整能量吸收性能，其已被證明在能量吸收方面比單一晶格結(jié)構(gòu)更有效。

另一種提高機(jī)械性能或能量吸收能力的方法是修改連接支柱的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到壓縮或沖擊載荷時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，該方法相對(duì)簡(jiǎn)單，但在提高金屬晶格結(jié)構(gòu)的能量吸收能力方面非常有效。                           

圖1. 3D打印的梯度晶格結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)產(chǎn)品

二、晶格結(jié)構(gòu)的制備方案?jìng)鹘y(tǒng)工藝與3D打印各有局限

到目前為止，已經(jīng)有幾種制造金屬晶格結(jié)構(gòu)的技術(shù)，包括沖壓成型、擠壓結(jié)合線切割、擴(kuò)展板折疊和熔模鑄造。除了鑄造之外，這些技術(shù)還必須使用粘合或焊接技術(shù)來(lái)組裝支柱以形成晶格結(jié)構(gòu)。在加工過(guò)程中，連接點(diǎn)通常對(duì)缺陷敏感，例如對(duì)氣泡和微裂紋，導(dǎo)致晶格結(jié)構(gòu)的整體機(jī)械性能減弱。對(duì)于熔模鑄造技術(shù)，由于技術(shù)本身的限制，電解槽配置不能太復(fù)雜。

圖2. 3D打印與熔模鑄造制作晶格結(jié)構(gòu)

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)使晶格結(jié)構(gòu)的制造不再困難，而且它不需要結(jié)合傳統(tǒng)工藝。然而由于可成型材料有限，該技術(shù)在制造晶格結(jié)構(gòu)方面仍然存在不足。

為了克服增材制造和熔模鑄造的局限性，近年來(lái)開(kāi)發(fā)了一種將3D打印與熔模鑄造相結(jié)合的新技術(shù)。在該技術(shù)中，首先通過(guò)3D打印制備低熔點(diǎn)樹(shù)脂基晶格結(jié)構(gòu)，然后用其制作陶瓷外殼模具。最后，熔融金屬在壓縮空氣的作用下滲入模具型腔，金屬凝固后，去除外殼就得到了金屬晶格結(jié)構(gòu)。除了能夠產(chǎn)生任何復(fù)雜的構(gòu)型之外，該方法對(duì)材料的選擇幾乎沒(méi)有限制。

圖3. 3D打印 鑄造制作的鑄鋁晶格結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步比較晶格結(jié)構(gòu)不同制備方法引起的力學(xué)性能和能量吸收差異，3D打印技術(shù)參考了解到，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院合作，通過(guò)3D打印結(jié)合熔模鑄造和直接金屬增材制造，制備了三種支柱材料的增強(qiáng)型棱錐晶格結(jié)構(gòu)，通過(guò)有限元模擬對(duì)壓縮行為和能量吸收特性進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

三、不同工藝制造晶格結(jié)構(gòu)的性能差異

采用直接3D打印和3D打印結(jié)合熔模鑄造兩種技術(shù)制備晶格結(jié)構(gòu)樣品。前者使用BLT-A300打印機(jī)，材料選擇適用于3D打印的AlSi10Mg粉末；后者使用了鑄態(tài)AlSi10Mg合金和7005鋁合金。

為了了解本研究中使用的不同鋁合金的機(jī)械性能，進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)。相關(guān)應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示，直接金屬3D打印的AlSi10Mg強(qiáng)度和剛度最高，但延展性最低；相反，鑄態(tài)AlSi10Mg合金的延展性最高，但強(qiáng)度最低，7005鋁合金具有中等強(qiáng)度和延展性，僅介于另兩種材料之間。

圖4. 不同晶格結(jié)構(gòu)的機(jī)械響應(yīng)對(duì)比：

（a，b）壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線；（c）楊氏模量和屈服強(qiáng)度；（d）能量吸收

圖5. 晶格結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)響應(yīng)

晶格結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)增強(qiáng)來(lái)提高。在這項(xiàng)研究中，制備方法和支柱材料的影響是關(guān)注的焦點(diǎn)。通過(guò)增強(qiáng)型金字塔晶格結(jié)構(gòu)和通常結(jié)構(gòu)的對(duì)比可以看出，增強(qiáng)是通過(guò)向節(jié)點(diǎn)逐漸增加支柱的直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖6. 金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的特征：左邊是普通星，右邊是增強(qiáng)型

晶格結(jié)構(gòu)的相關(guān)幾何參數(shù)定義如下：de和dm分別代表支柱端部直徑和中部直徑；L、H、θ分別表示底面的寬度、晶胞的高度和支柱與底面的夾角；Le和Lc分別為支柱的有效長(zhǎng)度和等徑長(zhǎng)度。為了研究幾何參數(shù)的影響，de的值從1.4毫米到1.8毫米不等，間隔為0.1毫米，其中1.4毫米也是用于比較的常用金字塔結(jié)構(gòu)的直徑。當(dāng)de增大時(shí)，dm減小以保持晶格結(jié)構(gòu)的相對(duì)密度不變。θ值在35°到55°之間變化，間隔為10°。

圖7. 三組樣本，A、B、C節(jié)點(diǎn)增強(qiáng)型金字塔晶格結(jié)構(gòu)

圖8. 對(duì)不同晶格結(jié)構(gòu)樣品的循環(huán)壓縮試驗(yàn)。

為了更好的定量化和形象化的描述晶格結(jié)構(gòu)樣品的變形過(guò)程，我們將其進(jìn)行模擬仿真，結(jié)果如下：

圖9. 壓縮模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的比較

三種支柱材料中的增強(qiáng)晶格結(jié)構(gòu)通過(guò)兩種制備方法制備，通過(guò)有限元分析和壓縮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地研究了制備方法、支柱材料和幾何參數(shù)對(duì)壓縮行為和能量吸收的影響，主要結(jié)論總結(jié)如下：

(1) 與金屬增材制造相比，3D打印結(jié)合熔模鑄造的制造方法消除了金字塔晶格結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變曲線平臺(tái)階段的應(yīng)力波動(dòng)，甚至增加了大傾角下的能量吸收。然而，抗壓強(qiáng)度同時(shí)降低。

(2) 增加增強(qiáng)型棱錐格構(gòu)結(jié)構(gòu)的傾斜角度可以縮小承載能力的差距并提高能量吸收。對(duì)于鑄態(tài)7005鋁合金晶格結(jié)構(gòu)，在壓縮過(guò)程中發(fā)生脆性斷裂，導(dǎo)致能量損失。

(3) 增強(qiáng)型金字塔晶格結(jié)構(gòu)的端部直徑對(duì)抗壓強(qiáng)度和能量吸收至關(guān)重要。加厚端部直徑在一定程度上降低了節(jié)點(diǎn)附近的應(yīng)力集中。

(4) 能量吸收?qǐng)D中肩部點(diǎn)相對(duì)于傾角的包絡(luò)線是一條直線。能量吸收?qǐng)D表明，對(duì)于AlSi10Mg，當(dāng)σ/ES<1.48×10時(shí)，3D打印結(jié)合熔模鑄造是更好的選擇，相反可以考慮金屬增材制造。當(dāng)σ/ES>6.84×10時(shí)，使用鑄態(tài)7005鋁合金是一種折衷方案。

(5) 理論方程和有限元分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，可用于預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)增強(qiáng)錐體晶格結(jié)構(gòu)的力學(xué)和能量吸收特性。

四、2022DfAM先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造工藝系列講座

蜂窩點(diǎn)陣材料由于具有低密度、高比強(qiáng)度和多孔等優(yōu)點(diǎn)，已成為重要的結(jié)構(gòu)和功能材料。常規(guī)的蜂窩材料主要是泡沫、海綿和蜂窩體，其通常用于功能目的，例如聲障、防振裝置和沖擊保護(hù)裝置，3D打印技術(shù)參考此前也做過(guò)多次報(bào)道。對(duì)于泡沫金屬和海綿，孔的形狀、大小、數(shù)量和分布等孔結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是隨機(jī)的，換句話說(shuō)，它們幾乎是不可控的，而對(duì)于蜂窩，孔分布和力學(xué)性能具有很強(qiáng)的各向異性。這些特性在一定程度上限制了傳統(tǒng)金屬蜂窩材料的應(yīng)用。

3D打印晶格結(jié)構(gòu)將是這些問(wèn)題最理想的解決方案之一。它們具有精確設(shè)計(jì)的晶格結(jié)構(gòu)、幾乎無(wú)限的基質(zhì)材料、優(yōu)化的性能，并且可以通過(guò)許多工業(yè)規(guī)模的技術(shù)進(jìn)行制造，這使他們成為航空航天許多工程領(lǐng)域的重要應(yīng)用方案。

為了讓廣大的航空、航天行業(yè)等高端復(fù)雜制造業(yè)的科研院所研發(fā)人員、還有理工類高校的航空、航天、機(jī)械和材料學(xué)學(xué)子和高校教師；以及從事增材制造設(shè)計(jì)、工藝、仿真感興趣的技術(shù)人員介紹先進(jìn)的增材設(shè)計(jì)的理念。

5月26日-6月10日，仿真秀和3D打印技術(shù)參考聯(lián)合主辦的《2022DfAM先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造工藝系列講座》，將邀請(qǐng)安世亞太8位高級(jí)工程師帶來(lái)DfAM面向增材設(shè)計(jì)的一體化解決方案的全貌，包括：創(chuàng)成式設(shè)計(jì)、拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證、增材工藝仿真等方案的概況。

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