點陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計經(jīng)驗分享

來源：增材制造創(chuàng)新設(shè)計

點陣，一種周期性多孔結(jié)構(gòu)，可以認為是大量相同的點陣單元通過某種形式周期性地組合而構(gòu)成。點陣結(jié)構(gòu)的性能具有很高的設(shè)計靈活性。通過調(diào)整點陣的相對密度、單胞的構(gòu)型、連桿的尺寸，達到結(jié)構(gòu)的強度、剛度、韌性、耐久性、靜力學性能、動力學性能的完美平衡。

輕質(zhì)、高強
點陣結(jié)構(gòu)比強度和比剛度高，在低密度結(jié)構(gòu)中有較大的力學性能優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的固體材料相比，金屬點陣材料的密度大大降低，具有相同性能的點陣結(jié)構(gòu)可以減重達70%以上。與金屬泡沫材料相比，金屬點陣結(jié)構(gòu)性能上可控制，強度和模量比金屬泡沫材料高出一個量級，承載效率更高。

吸能
點陣夾芯結(jié)構(gòu)具有非常理想的抗爆炸、抗沖擊性能。點陣結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下一般會發(fā)生動態(tài)失穩(wěn)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生大的塑性/彈性變形，進而吸收大部分沖擊能量。這種超彈性使其兼?zhèn)錁O高的能量吸收能力，可以用作抗沖擊結(jié)構(gòu)。比如做成坦克防護裝甲，可以有效保護內(nèi)部人員與設(shè)備。

防熱和隔熱
點陣結(jié)構(gòu)空間可以作為散熱或主動致冷通道，在強制對流下具有優(yōu)良的傳熱性能，可以作為一種承受高密度熱流結(jié)構(gòu)。孔隙填充隔熱纖維，可起到優(yōu)良隔熱效果。點陣結(jié)構(gòu)已經(jīng)被考慮用于返航太空艙的熱保護系統(tǒng)。

降噪
由于聲波震動受到曲折孔隙壁阻擋，空氣與孔隙壁發(fā)生摩擦造成能量損失。經(jīng)多次反射和折射后，原有入射聲波大部分能量變成熱量散失到環(huán)境中。工程師們已經(jīng)用3D打印制造出了一個“聲學隱身裝置”。

醫(yī)療植入物
鈦金屬是一種常見的醫(yī)學植入材料。但是由于它具有比人體骨骼更高的彈性模量，容易導致植入物和骨頭之間的彈性失配。點陣結(jié)構(gòu)的彈性模量會隨著孔徑的增加而減小，從而可以通過改變體積分數(shù)和點陣結(jié)構(gòu)的尺寸分布來解決彈性模量匹配問題，使植入物具有量身定制的機械性能，與人體的骨骼匹配。此外，3D打印開放氣孔結(jié)構(gòu)便于骨內(nèi)生長和整個植入物的結(jié)合。

點陣結(jié)構(gòu)的眾多應(yīng)用離不開結(jié)構(gòu)設(shè)計。

但是對點陣結(jié)構(gòu)進行力學性能分析時，由于其內(nèi)部含有大量微結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)建模和響應(yīng)分析的工作量巨大，且材料微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸對結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計結(jié)果有顯著影響，傳統(tǒng)有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)不適用。

單胞內(nèi)桿件尺寸相對較大、數(shù)目較少時，可以直接應(yīng)用實體單元進行求解；當桿件尺寸逐漸減小，數(shù)目增多時，建議使用梁單元進行求解；當桿件尺寸進一步減小、數(shù)目龐大時，適合用均勻化方法進行材料性能等效后求解。

除了有限元仿真，下面幾點設(shè)計經(jīng)驗值得大家關(guān)注。
I 單胞構(gòu)型選擇
受3D打印工藝約束，單胞構(gòu)型最好不要出現(xiàn)橫向桿件。所以適合3D打印的單胞構(gòu)型主要有體心立方（BCC）和面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)，以及兩者的變形結(jié)構(gòu)。

單胞的最優(yōu)構(gòu)型與宏觀結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)型及載荷條件密切相關(guān)。一般來說，體心立方結(jié)構(gòu)是彎曲主導結(jié)構(gòu)，其特點是能量吸收能力強，適用于設(shè)計抗沖擊結(jié)構(gòu)；面心立方結(jié)構(gòu)是拉伸主導結(jié)構(gòu)，剛度和強度性能好，適用于設(shè)計承力結(jié)構(gòu)。


I 桿件傾斜角
3D打印的工藝特點造成了懸垂的下表面具有較大的孔隙率和粗糙的表面質(zhì)量。

因此點陣結(jié)構(gòu)桿件的傾斜角不宜過小。傾斜角越小，桿件的性能越不均衡。

以AlSi10Mg點陣結(jié)構(gòu)為例，90°傾斜角的桿件A和B區(qū)域孔隙率差別不大，而35.5°傾斜角造成了A和B區(qū)域3.61%的孔隙率差異。

I 表面光潔度
表面光潔度對結(jié)構(gòu)的疲勞性能有重要的影響。點陣結(jié)構(gòu)大量的內(nèi)部表面，對表面光潔度的處理提出了巨大的挑戰(zhàn)。

目前比較有效的處理方法是化學侵蝕，可以提高表面光潔度到23.8~25.9μm。

但是，化學侵蝕的副作用是使得桿件的直徑變小，會引起點陣結(jié)構(gòu)的相對密度下降7%左右。

I 結(jié)構(gòu)失效模式
受壓載荷作用下，點陣結(jié)構(gòu)的失效模式主要是桿件的失穩(wěn)。結(jié)構(gòu)的應(yīng)力主要集中在節(jié)點附近。

文章來源：增材制造創(chuàng)新設(shè)計