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力學所在3D打印點陣結構研究上取得進展

作者:劉文峰 2020-06-19 08:54 來源:
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  輕質點陣結構在承載、吸能、隔熱、隔震等諸多領域有著重要的應用前景,傳統的制備方法如沖壓成型、熔模鑄造等對點陣結構的材料選擇、杆件尺寸和構型選擇都有諸多的要求,從而制約了其進一步的工程應用。近年來,隨著3D打印技術的快速發展,這種高效、靈活的技術開始被越來越多的應用于點陣結構的制備。然而,目前廣泛采用的一體化打印的點陣結構往往存在著嚴重的各向異性和支撐材料去除的問題,前者使得3D打印點陣結構的力學性能遠小于理論值,後者則顯著增加了後處理的時間與成本。 

  近日,中國科學院力学研究所热结构耦合力学课题组首次将嵌锁组装方法引入3D打印技術中來制備點陣結構,即通過將三維點陣結構“降維”,轉化爲二維杆件結構打印,再采用嵌鎖組裝方法將二維杆件拼裝成三維的點陣結構。研究人員采用該方法,針對熔融沈積成型(FDM)這種最爲常見的3D打印技術,制備了BCC構型點陣結構,實現了杆件結構中纖維的最優分布,相比于一體化打印的點陣結構強度提升了37%-65%  

 

图1 两种FDM点阵结构制备方法对比. (a)一体化3D打印;(b) 打印+嵌锁组装

   進一步將該方法拓展到聚合物噴射成型(PolyJet)技術中,制備了BCCBCC-ZFCCOctet四類典型的點陣結構,實現了不同構型的PolyJet點陣結構中杆件的最佳打印方向(X-Y平面) 

 

 (a)嵌鎖組裝與一體化打印點陣結構中杆件打印方向比較,嵌鎖組裝實現了所有杆件打印方向的力學性能最優(綠色),一體化打印有部分杆件的力學性能較差是(黃色和紅色)

 

  (b)嵌鎖組裝制備的PolyJet點陣結構多胞與單胞試樣

图2 PolyJet制备四类典型的3D点阵结构

  該方法成功解決了3D打印點陣結構中存在的各向異性問題,實現了點陣結構力學性能的大幅提升,壓縮強度提升均在100%以上,比吸能提升了72%~186%。同時,由于打印過程無需支撐材料的輔助,打印時間和打印耗材均降低了80%以上。 

 

   图3 嵌锁组装制备的PolyJet点阵结构大幅提升了力学性能、节约了制备成本。图为两种制备方法比较 (a)压缩强度;(b)比吸能;(c)打印耗材;(d)打印时间

  研究者建立了四類點陣構型面外壓縮力學性能的理論模型,試驗結果表明,嵌鎖組裝點陣結構的壓縮強度與理論壓縮強度非常接近。該研究工作爲高效制備力學性能優異的大尺寸3D打印點陣結構提供了可能。 

 

图4 BCC-Z点阵结构理论模型与实验值比较

   相關工作以“Improving mechanical performance of fused deposition modeling lattice structures by a snap-fitting method”和“Maximizing mechanical properties and minimizing support material of PolyJet fabricated 3D lattice structures”爲題分別發表在Materials and Design (2019)Additive Manufacturing (2020)上, 第一作者爲力學所2017级硕士生刘文峰,通讯作者为宋宏伟研究員。上述工作得到国家自然科学基金等项目的支持。 

  https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.108065 

  https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101257 

 

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