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理解3D打印點陣結(jié)構(gòu)的性

發(fā)布時間：2022-06-22 13:31:47瀏覽：6961點贊：

胞元結(jié)構(gòu)是增材制造的一個重要的研究領(lǐng)域，正如建筑用的空心磚

，胞元的應(yīng)用減少了材料的使用

，有效幫助實現(xiàn)輕量化。四種常見的胞元結(jié)構(gòu)包括蜂窩

，開孔泡沫

，閉孔泡沫與點陣結(jié)構(gòu)。

點陣結(jié)構(gòu)材料由于在熱

、電和光學(xué)性能等方面具有的優(yōu)勢

，以及作為潛在的輕量化材料而受到人們關(guān)注

。點陣結(jié)構(gòu)，為實現(xiàn)零部件不同的外觀和性能打開了一扇門

。點陣結(jié)構(gòu)所固有的復(fù)雜性

，使得增材制造/3D打印技術(shù)與其制造有著天然的結(jié)合點。3D打印的一大優(yōu)勢是靈活性以及打印成本對產(chǎn)品的復(fù)雜性不敏感

，這也是復(fù)雜的點陣結(jié)構(gòu)成為3D打印領(lǐng)域的一大熱門研究方向的主要原因

。

在使用3D打印技術(shù)作為點陣結(jié)構(gòu)的制造方式時，設(shè)計師能夠釋放和發(fā)掘點陣結(jié)構(gòu)的功能和潛力

，從而提高其產(chǎn)品的性能

。同時，點陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路也可以促使設(shè)計者重新思考零件所需的性能

，以探索更多的設(shè)計空間

。

自然界中隨處可見點陣結(jié)構(gòu)，如骨骼和金屬晶體等

。在產(chǎn)品設(shè)計時

，利用點陣的機(jī)械效能，如超大表面積

，優(yōu)異的減震性能

，抗沖擊保護(hù)等，能夠克服傳統(tǒng)制造的限制

，創(chuàng)造新的

、更高性能的產(chǎn)品。

點陣結(jié)構(gòu)材料不僅重量輕

，而且可以釋放大量的表面積

，這類結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)熱交換和化學(xué)反應(yīng)。

點陣結(jié)構(gòu)可以顯著增大有效表面積

，如果散熱器中充滿冷空氣

，也可以快速帶走熱量。以計算機(jī)熱交換器為例

，計算機(jī)處理器的性能往往會受到產(chǎn)生的熱量的影響

，熱交換器的工作就是在風(fēng)扇的協(xié)助下，將熱量從芯片中除去并將其排出到大氣中

，該系統(tǒng)的整體效率與散熱器的表面積息息相關(guān)

。然而，如果沒有3D打印技術(shù)

，“小” 特征想具有大表面積是難以實現(xiàn)的

。

點陣結(jié)構(gòu)運動鞋中底，圖片來源：Carbon

點陣還可以通過更好地吸收能量來保護(hù)產(chǎn)品

。例如有點陣結(jié)構(gòu)的運動鞋中底和橄欖球頭盔緩沖結(jié)構(gòu)

，在受到外力作用時，它們可以吸收撞擊力起到安全保護(hù)的作用

。

噪音和振動令人不悅

，有時振動甚至?xí)档蜋C(jī)器性能。增材制造的點陣還可以降低機(jī)械噪音和振動

。由于剛度低

，承受和恢復(fù)大應(yīng)變的能力強(qiáng)，點陣在抑制振動方面很有效

。例如

，點陣可以運用到重型設(shè)備上的隔離墊中，以減少進(jìn)入制造系統(tǒng)的能量

。點陣的可調(diào)特性也使得工程師可以改進(jìn)設(shè)計以匹配其特定應(yīng)用要求

。

點陣結(jié)構(gòu)可以整合入零部件的設(shè)計中，不僅是從整體外觀上與傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計區(qū)別開來

，還能夠?qū)崿F(xiàn)減重

、散熱、緩沖等不同的功能

。此外

，不同的點陣細(xì)觀結(jié)構(gòu)還將實現(xiàn)不同的力學(xué)性能。那么

，如何才能釋放點陣結(jié)構(gòu)的種種潛能

，確保3D打印部件符合設(shè)計意圖呢？此時

，遵循為增材制造而設(shè)計（DfAM）的原則變得尤為重要, 即通過形狀

、尺寸、層級結(jié)構(gòu)和材料組成的系統(tǒng)綜合設(shè)計

，最大限度提高產(chǎn)品性能

。一些重要的DfAM因素包括胞元（點陣的基本單位）結(jié)構(gòu)、大小和密度

，材料選擇和胞元方向等

。

點陣胞元結(jié)構(gòu)形式眾多，它們是點陣中的基本單元

，常見的點陣胞元結(jié)構(gòu)有立方體

，星形，八角形

，六邊形

，菱形和四面體等。

鈦合金“蜘蛛”架

，由雷尼紹AM250制造

，Altair Optistrut軟件, 和Materialise Magics 軟件生成

點陣胞元結(jié)構(gòu)的大小和密度是指單個胞元的大小以及在一個空間內(nèi)胞元的數(shù)量

。點陣胞元本身的大小取決于其節(jié)點和連接節(jié)點的梁的厚度和長度。較大的胞元更容易打印

，同時也更硬

。相應(yīng)的，較小的胞元更均勻

，但會受到特征尺寸的限制

。在進(jìn)行點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以在單個產(chǎn)品的不同位置上設(shè)置不同的密度以實現(xiàn)機(jī)械性能

。通過傳統(tǒng)制造技術(shù)實現(xiàn)這些性能

，需要進(jìn)行多個零件組裝，而3D打印可以在單一產(chǎn)品中形成不同的功能性能區(qū)域

。

制造材料決定了點陣的特性

。彈性或軟質(zhì)材料通常需要設(shè)計成較小和較密集的胞元群以減少打印期間的下垂。剛性材料在打印點陣時具有更大的設(shè)計范圍

，胞元可以具有更大的尺寸和更少的數(shù)量

。

點陣結(jié)構(gòu)的建模和3D打印中還存在不少挑戰(zhàn)。一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是要證明設(shè)計的性能可靠性

，特別是在抗疲勞方面

。由于點陣結(jié)構(gòu)的表面和尖銳的交叉點很多，這帶來了應(yīng)力集中

。

在點陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計方面

，軟件企業(yè)與增材制造企業(yè)以及點陣結(jié)構(gòu)應(yīng)用企業(yè)進(jìn)行了大量探索。例如

，在軟件企業(yè)中

，安世中德針對增材制造點陣結(jié)構(gòu)仿真分析，開發(fā)了多尺度算法仿真軟件Lattice Simulation,基于多尺度算法

，用戶可以采用等效均質(zhì)化技術(shù)對點陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,并且提取非均質(zhì)化點陣結(jié)構(gòu)的等效材料參數(shù)

，在均質(zhì)化等效實體模型宏觀力學(xué)分析后，可以通過局部分析對胞元結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力校核

。在應(yīng)用企業(yè)中

，中國空間技術(shù)研究院總體部根據(jù)三維點陣的胞元形式的特點，結(jié)合三維點陣在航天器結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的實際情況

，提出三維點陣結(jié)構(gòu)胞元的表達(dá)規(guī)范

，即通過胞元占據(jù)的空間并結(jié)合胞元桿件的直徑來表達(dá)三維點陣結(jié)構(gòu)胞元的設(shè)計信息。

(責(zé)任編輯：admin)

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