5月26日-6月10日：這8場增材制造先進設計與工藝仿真講座別錯過！

來源：3D打印技術參考

導讀：增材制造，作為一種先進的制造技術，通過層層連接工藝，為復雜部件的設計和成型提供了前所未有的機遇。與此同時，拓撲優(yōu)化作為一種先進的結構設計方法，使得多孔介質的內部結構可以任意設計，以實現(xiàn)特定的力學性能。其中，由于金屬三維晶格結構具有比強度高、機械效率高、能量吸收能力強等優(yōu)良的力學性能，在輕型航空航天、交通運輸結構、沖擊防護裝置等多種工程領域具有廣闊的應用前景。實際上，金屬晶格結構已經(jīng)成熟用于我國航天器結構產(chǎn)品。

接下來筆者為大家總結增材制造在結構設計領域中的應用場景，并帶大家走進金屬晶格結構設計在各領域發(fā)揮的強大優(yōu)勢。強烈推薦大家關注仿真秀《2022DfAM先進設計與制造工藝系列講座》，詳情見后文。

一、晶格結構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，其特征在于壓縮過程中能夠吸收或耗散機械能。已經(jīng)證實，大多數(shù)晶格結構，如金字塔晶格、三維Kagome晶格、四面體晶格以及鉆石晶格等，可以通過改變長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，可設計的具有晶格結構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，還可以通過復雜結構（如梯度結構、金屬泡沫填充結構、多層結構和不同的單胞結構）來調整能量吸收性能，其已被證明在能量吸收方面比單一晶格結構更有效。

另一種提高機械性能或能量吸收能力的方法是修改連接支柱的節(jié)點結構，當受到壓縮或沖擊載荷時，通常會出現(xiàn)應力集中，該方法相對簡單，但在提高金屬晶格結構的能量吸收能力方面非常有效。                           

圖1. 3D打印的梯度晶格結構、點陣結構以及相應產(chǎn)品

二、晶格結構的制備方案傳統(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構的技術，包括沖壓成型、擠壓結合線切割、擴展板折疊和熔模鑄造。除了鑄造之外，這些技術還必須使用粘合或焊接技術來組裝支柱以形成晶格結構。在加工過程中，連接點通常對缺陷敏感，例如對氣泡和微裂紋，導致晶格結構的整體機械性能減弱。對于熔模鑄造技術，由于技術本身的限制，電解槽配置不能太復雜。

圖2. 3D打印與熔模鑄造制作晶格結構

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

為了克服增材制造和熔模鑄造的局限性，近年來開發(fā)了一種將3D打印與熔模鑄造相結合的新技術。在該技術中，首先通過3D打印制備低熔點樹脂基晶格結構，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構。除了能夠產(chǎn)生任何復雜的構型之外，該方法對材料的選擇幾乎沒有限制。

圖3. 3D打印 鑄造制作的鑄鋁晶格結構

為了進一步比較晶格結構不同制備方法引起的力學性能和能量吸收差異，3D打印技術參考了解到，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所材料物理重點實驗室與中國科學技術大學研究生院合作，通過3D打印結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型棱錐晶格結構，通過有限元模擬對壓縮行為和能量吸收特性進行了理論分析和實驗驗證。

三、不同工藝制造晶格結構的性能差異

采用直接3D打印和3D打印結合熔模鑄造兩種技術制備晶格結構樣品。前者使用BLT-A300打印機，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械性能，進行了拉伸實驗。相關應力-應變曲線顯示，直接金屬3D打印的AlSi10Mg強度和剛度最高，但延展性最低；相反，鑄態(tài)AlSi10Mg合金的延展性最高，但強度最低，7005鋁合金具有中等強度和延展性，僅介于另兩種材料之間。

圖4. 不同晶格結構的機械響應對比：

（a，b）壓縮應力應變曲線；（c）楊氏模量和屈服強度；（d）能量吸收

圖5. 晶格結構材料的力學響應

晶格結構的機械性能可以通過節(jié)點增強來提高。在這項研究中，制備方法和支柱材料的影響是關注的焦點。通過增強型金字塔晶格結構和通常結構的對比可以看出，增強是通過向節(jié)點逐漸增加支柱的直徑來實現(xiàn)的。

圖6. 金字塔點陣結構的特征：左邊是普通星，右邊是增強型

晶格結構的相關幾何參數(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度和等徑長度。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構的直徑。當de增大時，dm減小以保持晶格結構的相對密度不變。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)點增強型金字塔晶格結構

圖8. 對不同晶格結構樣品的循環(huán)壓縮試驗。

為了更好的定量化和形象化的描述晶格結構樣品的變形過程，我們將其進行模擬仿真，結果如下：

圖9. 壓縮模型實驗結果與仿真結果的比較

三種支柱材料中的增強晶格結構通過兩種制備方法制備，通過有限元分析和壓縮實驗系統(tǒng)地研究了制備方法、支柱材料和幾何參數(shù)對壓縮行為和能量吸收的影響，主要結論總結如下：

(1) 與金屬增材制造相比，3D打印結合熔模鑄造的制造方法消除了金字塔晶格結構應力應變曲線平臺階段的應力波動，甚至增加了大傾角下的能量吸收。然而，抗壓強度同時降低。

(2) 增加增強型棱錐格構結構的傾斜角度可以縮小承載能力的差距并提高能量吸收。對于鑄態(tài)7005鋁合金晶格結構，在壓縮過程中發(fā)生脆性斷裂，導致能量損失。

(3) 增強型金字塔晶格結構的端部直徑對抗壓強度和能量吸收至關重要。加厚端部直徑在一定程度上降低了節(jié)點附近的應力集中。

(4) 能量吸收圖中肩部點相對于傾角的包絡線是一條直線。能量吸收圖表明，對于AlSi10Mg，當σ/ES<1.48×10時，3D打印結合熔模鑄造是更好的選擇，相反可以考慮金屬增材制造。當σ/ES>6.84×10時，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驗結果一致，可用于預測節(jié)點增強錐體晶格結構的力學和能量吸收特性。

四、2022DfAM先進設計與制造工藝系列講座

蜂窩點陣材料由于具有低密度、高比強度和多孔等優(yōu)點，已成為重要的結構和功能材料。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裝置，3D打印技術參考此前也做過多次報道。對于泡沫金屬和海綿，孔的形狀、大小、數(shù)量和分布等孔結構本質上是隨機的，換句話說，它們幾乎是不可控的，而對于蜂窩，孔分布和力學性能具有很強的各向異性。這些特性在一定程度上限制了傳統(tǒng)金屬蜂窩材料的應用。

3D打印晶格結構將是這些問題最理想的解決方案之一。它們具有精確設計的晶格結構、幾乎無限的基質材料、優(yōu)化的性能，并且可以通過許多工業(yè)規(guī)模的技術進行制造，這使他們成為航空航天許多工程領域的重要應用方案。

為了讓廣大的航空、航天行業(yè)等高端復雜制造業(yè)的科研院所研發(fā)人員、還有理工類高校的航空、航天、機械和材料學學子和高校教師；以及從事增材制造設計、工藝、仿真感興趣的技術人員介紹先進的增材設計的理念。

5月26日-6月10日，仿真秀和3D打印技術參考聯(lián)合主辦的《2022DfAM先進設計與制造工藝系列講座》，將邀請安世亞太8位高級工程師帶來DfAM面向增材設計的一體化解決方案的全貌，包括：創(chuàng)成式設計、拓撲優(yōu)化設計、多學科優(yōu)化設計、仿真驗證、增材工藝仿真等方案的概況。

以下是直播安排