中科院力學所3D打印點陣結構研究取得進展

來源：中科院

輕質點陣結構在承載、吸能、隔熱、隔震等領域有廣泛的應用前景，傳統(tǒng)的制備方法如沖壓成型、熔模鑄造等對點陣結構的材料選擇、桿件尺寸和構型選擇有要求，制約了其進一步的工程應用。近年來，隨著3D打印技術的快速發(fā)展，這一高效、靈活的技術開始被越來越多的應用于點陣結構的制備。然而，目前廣泛采用的一體化打印的點陣結構存在各向異性和支撐材料去除的問題，前者使3D打印點陣結構的力學性能遠小于理論值，后者則增加了后處理的時間與成本。

近日，中國科學院力學研究所熱結構耦合力學課題組首次將嵌鎖組裝方法引入3D打印技術中來制備點陣結構，即通過將三維點陣結構“降維”，轉化為二維桿件結構打印，再采用嵌鎖組裝方法將二維桿件拼裝成三維的點陣結構。研究人員采用該方法，針對熔融沉積成型(FDM)這一3D打印技術，制備了BCC構型點陣結構，實現(xiàn)了桿件結構中纖維的最優(yōu)分布，相比于一體化打印的點陣結構強度提升了37%-65%。

圖1.兩種FDM點陣結構制備方法對比(a)一體化3D打��；(b)打印+嵌鎖組裝

進一步將該方法拓展到聚合物噴射成型（PolyJet）技術中，制備了BCC、BCC-Z、FCC、Octet四類典型的點陣結構，實現(xiàn)了不同構型的PolyJet點陣結構中桿件的最佳打印方向（X-Y平面）。

（a）嵌鎖組裝與一體化打印點陣結構中桿件打印方向比較，嵌鎖組裝實現(xiàn)了所有桿件打印方向的力學性能最優(yōu)（綠色），一體化打印有部分桿件的力學性能較差是（黃色和紅色）

圖2.PolyJet制備四類典型的3D點陣結構（b）嵌鎖組裝制備的PolyJet點陣結構多胞與單胞試樣

該方法解決了3D打印點陣結構中存在的各向異性問題，實現(xiàn)了點陣結構力學性能的提升，壓縮強度提升均在100%以上，比吸能提升了72%~186%。由于打印過程無需支撐材料的輔助，打印時間和打印耗材均降低了80%以上。

圖3.嵌鎖組裝制備的PolyJet點陣結構提升了力學性能、節(jié)約了制備成本。圖為兩種制備方法比較（a）壓縮強度；（b）比吸能；（c）打印耗材；（d）打印時間

研究人員建立了四類點陣構型面外壓縮力學性能的理論模型，試驗結果表明，嵌鎖組裝點陣結構的壓縮強度與理論壓縮強度接近。該研究工作為高效制備力學性能優(yōu)異的大尺寸3D打印點陣結構提供了可能。

圖4.BCC-Z點陣結構理論模型與實驗值比較

相關研究工作分別以Improving mechanical performance of fused deposition modeling lattice structures by a snap-fitting method和Maximizing mechanical properties and minimizing support material of PolyJet fabricated 3D lattice structures為題，發(fā)表在Materials and Design (2019)和Additive Manufacturing (2020)上， 第一作者為力學所2017級碩士生劉文峰，通訊作者為研究員宋宏偉。研究工作得到國家自然科學基金等項目的支持。