点阵结构的设计经验分享

3D打印快讯
2020
05/26
16:59
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来源:增材制造创新设计

点阵,一种周期性多孔结构,可以认为是大量相同的点阵单元通过某种形式周期性地组合而构成。点阵结构的性能具有很高的设计灵活性。通过调整点阵的相对密度、单胞的构型、连杆的尺寸,达到结构的强度、刚度、韧性、耐久性、静力学性能、动力学性能的完美平衡。

轻质、高强
点阵结构比强度和比刚度高,在低密度结构中有较大的力学性能优势。与传统的固体材料相比,金属点阵材料的密度大大降低,具有相同性能的点阵结构可以减重达70%以上。与金属泡沫材料相比,金属点阵结构性能上可控制,强度和模量比金属泡沫材料高出一个量级,承载效率更高。

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吸能
点阵夹芯结构具有非常理想的抗爆炸、抗冲击性能。点阵结构在冲击载荷下一般会发生动态失稳,结构内部发生大的塑性/弹性变形,进而吸收大部分冲击能量。这种超弹性使其兼备极高的能量吸收能力,可以用作抗冲击结构。比如做成坦克防护装甲,可以有效保护内部人员与设备。

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防热和隔热
点阵结构空间可以作为散热或主动致冷通道,在强制对流下具有优良的传热性能,可以作为一种承受高密度热流结构。孔隙填充隔热纤维,可起到优良隔热效果。点阵结构已经被考虑用于返航太空舱的热保护系统。

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降噪
由于声波震动受到曲折孔隙壁阻挡,空气与孔隙壁发生摩擦造成能量损失。经多次反射和折射后,原有入射声波大部分能量变成热量散失到环境中。工程师们已经用3D打印制造出了一个“声学隐身装置”。
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医疗植入物
钛金属是一种常见的医学植入材料。但是由于它具有比人体骨骼更高的弹性模量,容易导致植入物和骨头之间的弹性失配。点阵结构的弹性模量会随着孔径的增加而减小,从而可以通过改变体积分数和点阵结构的尺寸分布来解决弹性模量匹配问题,使植入物具有量身定制的机械性能,与人体的骨骼匹配。此外,3D打印开放气孔结构便于骨内生长和整个植入物的结合。

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点阵结构的众多应用离不开结构设计。

但是对点阵结构进行力学性能分析时,由于其内部含有大量微结构,结构建模和响应分析的工作量巨大,且材料微结构的几何尺寸对结构分析和优化设计结果有显著影响,传统有限元分析和结构优化技术已经不适用。

单胞内杆件尺寸相对较大、数目较少时,可以直接应用实体单元进行求解;当杆件尺寸逐渐减小,数目增多时,建议使用梁单元进行求解;当杆件尺寸进一步减小、数目庞大时,适合用均匀化方法进行材料性能等效后求解。

除了有限元仿真,下面几点设计经验值得大家关注。
I 单胞构型选择
受3D打印工艺约束,单胞构型最好不要出现横向杆件。所以适合3D打印的单胞构型主要有体心立方(BCC)和面心立方(FCC)结构,以及两者的变形结构。

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单胞的最优构型与宏观结构的几何构型及载荷条件密切相关。一般来说,体心立方结构是弯曲主导结构,其特点是能量吸收能力强,适用于设计抗冲击结构;面心立方结构是拉伸主导结构,刚度和强度性能好,适用于设计承力结构。


I 杆件倾斜角
3D打印的工艺特点造成了悬垂的下表面具有较大的孔隙率和粗糙的表面质量。

因此点阵结构杆件的倾斜角不宜过小。倾斜角越小,杆件的性能越不均衡。

以AlSi10Mg点阵结构为例,90°倾斜角的杆件A和B区域孔隙率差别不大,而35.5°倾斜角造成了A和B区域3.61%的孔隙率差异。

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I 表面光洁度
表面光洁度对结构的疲劳性能有重要的影响。点阵结构大量的内部表面,对表面光洁度的处理提出了巨大的挑战。

目前比较有效的处理方法是化学侵蚀,可以提高表面光洁度到23.8~25.9μm。

但是,化学侵蚀的副作用是使得杆件的直径变小,会引起点阵结构的相对密度下降7%左右。
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I 结构失效模式
受压载荷作用下,点阵结构的失效模式主要是杆件的失稳。结构的应力主要集中在节点附近。

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文章来源:增材制造创新设计

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