Leistungsunterschiede zwischen 3D-Druck und herkömmlichen Prozessmaterialien und Gitterstrukturen

Leistungsunterschiede zwischen 3D-Druck und traditionellen Prozessmaterialien und Gitterstrukturen
Die dreidimensionale Metallgitterstruktur verfügt über hervorragende mechanische Eigenschaften wie hohe spezifische Festigkeit, hohe mechanische Effizienz und starkes Energieabsorptionsvermögen und bietet breite Anwendungsaussichten in verschiedenen technischen Bereichen wie der leichten Luft- und Raumfahrt, Transportstrukturen und Aufprallschutzvorrichtungen. Tatsächlich wurde die Metallgitterstruktur in den Raumfahrzeugstrukturprodukten meines Landes bereits ausgereift eingesetzt.

Gitterstruktureigenschaften und Energieabsorptionsvermögen

Eine der wichtigsten Eigenschaften von Gittermaterialien ist das Energieabsorptionsvermögen, das durch die Fähigkeit charakterisiert wird, bei Kompression mechanische Energie aufzunehmen oder abzuführen. Es wurde bestätigt, dass die meisten Gitterstrukturen, wie Pyramidengitter, dreidimensionale Kagome-Gitter, Tetraedergitter und Diamantgitter, durch Änderung geometrischer Parameter wie Seitenverhältnis oder Elementarzellengröße eine sehr gute Energieabsorptionsleistung erzielen können.

Darüber hinaus weisen gestaltbare Sandwichpaneele mit Gitterstrukturen nachweislich hervorragende Energieabsorptionseigenschaften auf. Zusätzlich zu geometrischen Parametern kann die Energieabsorptionsleistung auch durch komplexe Strukturen wie Gradientenstrukturen, mit Metallschaum gefüllte Strukturen, mehrschichtige Strukturen und verschiedene Elementarzellenstrukturen abgestimmt werden, die nachweislich eine effizientere Energieabsorption aufweisen als Einzelgitterstrukturen.

3D-gedruckte Gitterstrukturen mit Farbverlauf

Eine weitere Möglichkeit, die mechanischen Eigenschaften bzw. das Energieaufnahmevermögen zu verbessern, besteht darin, die Knotenstruktur, die die Streben verbindet, zu modifizieren. Bei Druck- oder Stoßbelastungen kommt es in der Regel zu Spannungskonzentrationen. Diese Methode ist relativ einfach, kann jedoch die Energieaufnahmefähigkeit der Metallgitterstruktur verbessern. Aspekte sind sehr effektiv.

Vorbereitungsschema der Gitterstruktur

Traditionelles Handwerk und 3D-Druck haben ihre eigenen Grenzen

Bisher gab es mehrere Techniken zur Herstellung von Metallgitterstrukturen, darunter Stanzformen, extrusionsgebundenes Drahtschneiden, Dehnungsblechfalten und Feinguss. Zusätzlich zum Gießen müssen bei diesen Techniken Klebe- oder Schweißtechniken eingesetzt werden, um die Streben zu einer Gitterstruktur zusammenzufügen. Während der Verarbeitung reagieren Verbindungen häufig empfindlich auf Defekte wie Blasen und Mikrorisse, was zu einer Schwächung der gesamten mechanischen Eigenschaften der Gitterstruktur führt. Bei der Feingusstechnologie darf die Konfiguration des Elektrolyseurs aufgrund der Einschränkungen der Technologie selbst nicht zu kompliziert sein.

Das Aufkommen der 3D-Drucktechnologie hat die Herstellung von Gitterstrukturen weniger schwierig gemacht und erfordert nicht die Kombination traditioneller Verfahren. Aufgrund der begrenzten Anzahl formbarer Materialien weist diese Technologie jedoch immer noch Mängel bei der Herstellung von Gitterstrukturen auf.

Um die Einschränkungen der additiven Fertigung und des Feingusses zu überwinden, wurde in den letzten Jahren eine neue Technologie entwickelt, die 3D-Druck mit Feinguss kombiniert. Bei dieser Technologie wird zunächst eine niedrig schmelzende Gitterstruktur auf Harzbasis im 3D-Druck hergestellt und dann zur Herstellung einer Keramikschalenform verwendet. Schließlich dringt das geschmolzene Metall unter Einwirkung von Druckluft in den Formhohlraum ein, und nachdem das Metall erstarrt ist, wird die Außenhülle entfernt, um eine Metallgitterstruktur zu erhalten. Abgesehen davon, dass jede komplexe Konfiguration erzeugt werden kann, weist die Methode kaum Einschränkungen bei der Materialauswahl auf.
3D-Druck und Feinguss zur Herstellung von Gitterstrukturen

Gitterstruktur aus gegossenem Aluminium, hergestellt durch 3D-Druck + Gießen

Um die Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften und der Energieabsorption, die durch unterschiedliche Herstellungsmethoden von Gitterstrukturen verursacht werden, weiter zu vergleichen, kombinierten das Key Laboratory of Materials Physics, Institute of Solid State Physics, Hefei Institute of Physical Science, Chinese Academy of Sciences in Zusammenarbeit mit der Graduate School der University of Science and Technology of China 3D-Druck mit Feinguss. Bei der direkten Metalladditivfertigung wurde die verstärkte Pyramidengitterstruktur aus drei Säulenmaterialien vorbereitet und das Kompressionsverhalten und die Energieabsorptionseigenschaften theoretisch analysiert und durch Finite-Elemente-Simulation experimentell verifiziert.

Unterschiede in der Leistung von Gitterstrukturen, die durch verschiedene Prozesse hergestellt werden

Die Gitterstrukturproben wurden mit zwei Techniken hergestellt: direktem 3D-Druck und 3D-Druck in Kombination mit Feinguss. Ersteres verwendet einen BLT-A300-Drucker und als Material wird AlSi10Mg-Pulver ausgewählt, das für den 3D-Druck geeignet ist. Letzteres verwendet eine AlSi10Mg-Legierung im Gusszustand und eine 7005-Aluminiumlegierung.


Um die mechanischen Eigenschaften der verschiedenen in dieser Studie verwendeten Aluminiumlegierungen zu verstehen, wurden Zugversuche durchgeführt. Die relevanten Spannungs-Dehnungs-Kurven zeigen, dass das direkt aus Metall 3D-gedruckte AlSi10Mg die höchste Festigkeit und Steifigkeit, aber die geringste Duktilität aufweist; Im Gegensatz dazu hat die AlSi10Mg-Legierung im Gusszustand die höchste Duktilität, aber die geringste Festigkeit, und die 7005-Aluminiumlegierung hat eine mittlere Festigkeit und Duktilität, die nur zwischen den beiden anderen Materialien liegt.

Zugversuche verschiedener Aluminiumlegierungen: (a) geometrische Abmessungen von Zugproben; (b) Spannungs-Dehnungs-Kurven

Die mechanischen Eigenschaften der Gitterstruktur können durch Knotenverstärkung verbessert werden. In dieser Studie stehen die Herstellungsmethode und der Einfluss des Säulenmaterials im Mittelpunkt. Wenn man die verstärkte Pyramidengitterstruktur mit der üblichen Struktur vergleicht, erkennt man, dass die Verstärkung durch eine allmähliche Vergrößerung des Durchmessers der Säulen zu den Knoten hin erreicht wird.
Merkmale der Pyramidengitterstruktur: links gewöhnliche Sterne, rechts verstärkte Sterne

Die relevanten geometrischen Parameter der Gitterstruktur sind wie folgt definiert: de und dm repräsentieren den Durchmesser des Endes bzw. der Mitte der Säule; L, H und θ stellen die Breite der Bodenfläche, die Höhe der Elementarzelle bzw. den Winkel zwischen der Säule und der Bodenfläche dar; Le und Lc sind jeweils die effektive Länge und die Länge mit gleichem Durchmesser der Strebe. Um den Einfluss geometrischer Parameter zu untersuchen, lagen die Werte von de im Abstand von 0,1 mm zwischen 1,4 mm und 1,8 mm, wobei 1,4 mm auch der Durchmesser der üblicherweise zum Vergleich verwendeten Pyramidenstrukturen ist. Wenn de zunimmt, nimmt dm ab, um die relative Dichte der Gitterstruktur unverändert zu lassen. Theta-Werte variieren von 35° bis 55° in 10°-Intervallen.
Vier Probensätze, A, B, C und D, knotenverstärkte Pyramidengitterstruktur
Verformungsprozess und Simulationsergebnisse von EP-Gitterstrukturen in den Gruppen A, B und C

Die verstärkten Gitterstrukturen aus den drei Säulenmaterialien wurden mit zwei Vorbereitungsmethoden hergestellt. Die Auswirkungen der Präparationsmethoden, Säulenmaterialien und geometrischen Parameter auf das Kompressionsverhalten und die Energieaufnahme wurden systematisch durch Finite-Elemente-Analyse und Kompressionsexperimente untersucht. Die wichtigsten Schlussfolgerungen lassen sich wie folgt zusammenfassen:


(1) Im Vergleich zur additiven Metallfertigung eliminiert die Fertigungsmethode des 3D-Drucks in Kombination mit Feinguss die Spannungsschwankungen im Plateaustadium der Spannungs-Dehnungs-Kurve der Pyramidengitterstruktur und erhöht sogar die Energieabsorption bei großen Neigungswinkeln. Allerdings nimmt gleichzeitig die Druckfestigkeit ab.


(2) Durch Erhöhen des Neigungswinkels der verstärkten Pyramidengitterstruktur kann die Lücke in der Tragfähigkeit verringert und die Energieabsorption verbessert werden. Bei der Gitterstruktur aus der Aluminiumlegierung 7005 im Gusszustand kommt es beim Komprimieren zu Sprödbrüchen, was zu Energieverlusten führt.


(3) Der Enddurchmesser der verstärkten Pyramidengitterstruktur ist entscheidend für die Druckfestigkeit und Energieaufnahme. Durch die Vergrößerung des Enddurchmessers wird die Spannungskonzentration in der Nähe der Knoten bis zu einem gewissen Grad verringert.


(4) Die Einhüllende des Schulterpunkts relativ zum Neigungswinkel im Energieabsorptionsdiagramm ist eine gerade Linie. Die Energieabsorptionskarte zeigt, dass für AlSi10Mg bei σ/ES6,84×10 die Verwendung der Aluminiumlegierung 7005 im Gusszustand ein Kompromiss ist.



(5) Die theoretischen Gleichungen und die Finite-Elemente-Analyse stimmen mit den experimentellen Ergebnissen überein und können zur Vorhersage der mechanischen und Energieabsorptionseigenschaften der knotenverstärkten Pyramidengitterstruktur verwendet werden.

Wabengittermaterialien haben sich aufgrund ihrer geringen Dichte, hohen spezifischen Festigkeit und Porosität zu wichtigen Struktur- und Funktionsmaterialien entwickelt. Herkömmliche Wabenmaterialien sind hauptsächlich Schäume, Schwämme und Waben, die häufig für funktionale Zwecke wie Schallschutzwände, Schwingungsdämpfer und Aufprallschutzvorrichtungen verwendet werden. Bei Metallschäumen und Schwämmen sind die Porenstrukturen wie Form, Größe, Anzahl und Verteilung der Poren von Natur aus zufällig, mit anderen Worten, sie sind nahezu unkontrollierbar, während bei Waben die Porenverteilung und die mechanischen Eigenschaften stark anisotrop gegengeschlechtlich sind. Diese Eigenschaften schränken die Anwendung herkömmlicher Metallwabenmaterialien in gewissem Maße ein.

Der 3D-Druck von Gitterstrukturen wäre eine der idealsten Lösungen für diese Probleme. Sie verfügen über präzise konstruierte Gitterstrukturen, praktisch unbegrenzte Matrixmaterialien, optimierte Eigenschaften und können mit vielen Techniken im industriellen Maßstab hergestellt werden, was sie zu wichtigen Anwendungen in vielen technischen Bereichen der Luft- und Raumfahrt macht.