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3D打印下的點陣結構創新與局限

來源:杰呈3D打印 發布時間:2025-10-23 09:25:56 瀏覽次數:0
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3D打印技術的飛速發展,使得可以打印制備的點陣結構種類更多、精度更高。如今,一些結構更為復雜的點陣結構也能順利制備。可以說,3D打印技術是促進點陣結構性能不斷提升的一個重要因素。利用3D打印技術制備的點陣結構的力學性能測試,基本上都是進行壓縮實驗。不選擇拉伸試驗,是因為壓縮實驗更為簡單。拉伸試驗需要對樣件和試驗臺之間進行特殊設計,而壓縮實驗只需通過粉碎板壓縮試驗臺與點陣結構即可。Alsalla等人曾在測試點陣結構在拉伸過程中的狀態變化時發現,接近點陣結構與測試裝置連接處的表面會失效,這表明點陣結構的表面存在臨界應力集中。所以,目前針對點陣結構,一般都是考慮壓縮性能測試。

2011年,Hao等人利用SLM技術成功制備了單位尺寸為2mm~8mm的螺旋二十四面體結構材料,證明了螺旋二十四面體在3D打印過程中具備高的可制造性。2017年,Montazerian等人對螺旋二十四面體進行了壓縮實驗。實驗結果表明,螺旋二十四面體在設計和制造具有高滲透性和良好力學性能的分級孔隙支架方面具有很大的應用潛力。

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2018年,Yang等人對螺旋二十四面體結構在壓縮載荷作用下的表面形貌和力學性能進行研究,通過數值分析證明了與其他點陣結構相比,螺旋二十四面體在形變過程中的應力和應變更為均勻。

Yánez等人通過改變設計螺旋二十四面體結構數學方程中的系數,設計了具有非球面孔洞的變形螺旋二十四面體結構。通過實驗發現,與具有球面孔洞的普通螺旋二十四面體結構相比,變型螺旋二十四面體具有較高的剛度和強度。通常,點陣結構只是由一種類型的單元細胞結構周期性有序排列組成,點陣結構的性質由單元細胞結構定義。然而,Li等人在2016年展示了一種由兩種或兩種以上單元細胞結構共同組成的混合點陣結構,有效地結合了組成點陣結構的單元細胞結構的屬性。

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2018年,Maskery等人提出了一種新的點陣結構設計方法,可以制備出相對密度逐漸變化的梯度點陣結構。并且,這種設計方法還可以將兩個或兩個以上的相鄰單元細胞合并在一起,向相鄰區域進行均勻過渡。與單一類型的均勻點陣結構材料相比,功能梯度點陣結構材料的性能具有大幅度的提高。

2018年,Yang等人通過SLM技術制備了具有不同梯度方向的點陣結構材料,驗證了密度分布的優化會促使點陣結構具有新的變形和力學性能。他們建立了數學模型,通過點陣結構密度分來預測點陣結構材料的力學性能,實現通過優化不同層的密度分布來自定義梯度點陣結構材料的力學性能的目的。

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SLM技術是一種粉末層熔化(Powder Bed Fusion,PBF)形式的3D打印技術,它利用激光能量將CAD模型數據制備成金屬點陣結構樣件。對于每一層,金屬粉末分布在前一層,然后由激光器選擇性地掃描局部熔化粉末。利用SLM技術所打印的零部件的致密度可以達到99%以上。同時,快速的激光掃描速率和由于熔池尺寸小引起的較快的冷卻速度,可以實現精密結構的打印,增強打印結構的力學性能。并且,由于整個SLM打印工程是在一個密閉的惰性氣體環境中進行,避免了材料發生氧化作用,因此可以處理一些類似于鈦合金的活躍金屬。與其他的3D打印技術相比,SLM工藝制備的零部件精度最高。當需要制備高精度的零件,特別是需要制備一些具有內流道或者形狀復雜難以加工的零件時,通常都會選擇由SLM技術制備。

Hussein等人指出,SLM制造的點陣結構樣件會存在與工程設計不符的幾何偏差。Al-Saedi等人也同樣觀察到,通過SLM技術所制造的點陣結構中,固體支柱的尺寸會略微大于預期設計的支柱尺寸。Concli和Gilioli還指出,3D打印技術制造的點陣結構的實際幾何形狀與設計存在顯著差異。


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