تفاوت در عملکرد بین پرینت سه بعدی و مواد فرآیند سنتی و ساختارهای شبکه

تفاوت در عملکرد بین چاپ سه بعدی و مواد فرآیند سنتی و ساختارهای شبکه
ساختار شبکه سه بعدی فلزی دارای خواص مکانیکی عالی مانند استحکام ویژه بالا، راندمان مکانیکی بالا و ظرفیت جذب انرژی قوی است و دارای چشم انداز کاربردی گسترده ای در زمینه های مختلف مهندسی مانند هوافضای سبک، سازه های حمل و نقل و دستگاه های محافظت در برابر ضربه است. در واقع، ساختار شبکه فلزی به طور کامل در محصولات ساختار فضاپیما کشور من استفاده شده است.

خواص ساختار شبکه و ظرفیت جذب انرژی

یکی از مهمترین خواص مواد شبکه ظرفیت جذب انرژی است که با قابلیت جذب یا اتلاف انرژی مکانیکی در حین فشرده سازی مشخص می شود. تایید شده است که اکثر سازه های شبکه مانند شبکه های هرمی، شبکه های سه بعدی کاگوم، شبکه های چهار وجهی و شبکه های الماسی می توانند با تغییر پارامترهای هندسی مانند نسبت ابعاد یا اندازه سلول واحد، عملکرد بسیار خوبی در جذب انرژی داشته باشند.

علاوه بر این، ساندویچ پانل های قابل طراحی با ساختارهای مشبک نیز نشان داده اند که خواص جذب انرژی عالی را نشان می دهند. علاوه بر پارامترهای هندسی، عملکرد جذب انرژی را می توان با ساختارهای پیچیده مانند ساختارهای گرادیان، سازه های پر از فوم فلزی، ساختارهای چندلایه و ساختارهای سلول واحد مختلف تنظیم کرد که نشان داده شده است که در جذب انرژی کارآمدتر از سازه های شبکه تکی هستند.

ساختارهای مشبک گرادیان چاپ سه بعدی

راه دیگر برای بهبود خواص مکانیکی یا ظرفیت جذب انرژی، اصلاح ساختار گره ای است که پایه ها را به هم متصل می کند. هنگامی که تحت بارهای فشاری یا ضربه ای قرار می گیرد، معمولاً تمرکز تنش رخ می دهد. این روش نسبتا ساده است، اما می تواند ظرفیت جذب انرژی ساختار شبکه فلزی را بهبود بخشد. جنبه ها بسیار موثر هستند.

طرح آماده سازی ساختار شبکه

صنایع دستی سنتی و پرینت سه بعدی محدودیت های خاص خود را دارند

تا به امروز، تکنیک‌های مختلفی برای ساخت سازه‌های شبکه فلزی وجود داشته است، از جمله شکل‌دهی مهر زنی، برش سیم با پیوند اکستروژن، تا کردن ورق انبساط، و ریخته‌گری سرمایه‌گذاری. علاوه بر ریخته‌گری، این تکنیک‌ها باید از تکنیک‌های اتصال یا جوش برای مونتاژ پایه‌ها برای تشکیل ساختار شبکه استفاده کنند. در طول پردازش، اتصالات اغلب به عیوب، مانند حباب ها و ریزترک ها حساس هستند که منجر به تضعیف خواص مکانیکی کلی ساختار شبکه می شود. برای فناوری ریخته گری سرمایه گذاری، پیکربندی الکترولیز به دلیل محدودیت های خود فناوری نمی تواند خیلی پیچیده باشد.

ظهور فناوری پرینت سه بعدی، ساخت سازه های مشبک را کمتر دشوار کرده است و نیازی به ترکیب فرآیندهای سنتی ندارد. با این حال، با توجه به مواد محدودی که می توان شکل داد، این فناوری همچنان در ساخت سازه های مشبک دارای کاستی هایی است.

برای غلبه بر محدودیت‌های تولید افزودنی و ریخته‌گری سرمایه‌گذاری، فناوری جدیدی که پرینت سه بعدی را با ریخته‌گری سرمایه‌گذاری ترکیب می‌کند در سال‌های اخیر توسعه یافته است. در این فناوری، یک ساختار شبکه‌ای مبتنی بر رزین با ذوب کم ابتدا با چاپ سه بعدی ساخته می‌شود و سپس برای ساخت قالب پوسته سرامیکی استفاده می‌شود. در نهایت فلز مذاب تحت تاثیر هوای فشرده به داخل حفره قالب نفوذ می کند و پس از جامد شدن فلز، پوسته بیرونی جدا می شود تا ساختار شبکه ای فلزی به دست آید. این روش به غیر از توانایی ایجاد هر گونه پیکربندی پیچیده، محدودیت های کمی در انتخاب مواد دارد.
چاپ سه بعدی و ریخته گری سرمایه گذاری برای ساخت سازه های مشبک

ساختار مشبک آلومینیومی ریخته گری ساخته شده با چاپ سه بعدی + ریخته گری

به منظور مقایسه بیشتر تفاوت‌های خواص مکانیکی و جذب انرژی ناشی از روش‌های مختلف آماده‌سازی سازه‌های شبکه، آزمایشگاه کلیدی فیزیک مواد، مؤسسه فیزیک حالت جامد، مؤسسه علوم فیزیکی هیفی، آکادمی علوم چین، با همکاری دانشکده تحصیلات تکمیلی دانشگاه علم و صنعت چین، چاپ سه‌بعدی را با سرمایه‌گذاری ترکیب کرد. و در ساخت مواد افزودنی فلزی مستقیم، ساختار شبکه‌ای هرمی تقویت‌شده از مواد سه ستونی تهیه شد و رفتار فشرده‌سازی و ویژگی‌های جذب انرژی به صورت تئوری مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و به‌طور تجربی با شبیه‌سازی اجزای محدود تأیید شد.

تفاوت در عملکرد سازه های شبکه ای ساخته شده توسط فرآیندهای مختلف

نمونه‌های ساختار شبکه با دو تکنیک چاپ سه بعدی مستقیم و چاپ سه بعدی همراه با ریخته‌گری سرمایه‌گذاری تهیه شدند. اولی از چاپگر BLT-A300 استفاده می کند و مواد پودر AlSi10Mg مناسب برای چاپ سه بعدی را انتخاب می کند. دومی از آلیاژ AlSi10Mg ریخته گری و آلیاژ آلومینیوم 7005 استفاده می کند.


برای درک خواص مکانیکی آلیاژهای مختلف آلومینیوم مورد استفاده در این مطالعه، آزمایش‌های کششی انجام شد. منحنی های تنش-کرنش مربوطه نشان می دهد که فلز مستقیم چاپ سه بعدی AlSi10Mg دارای بالاترین استحکام و سفتی، اما کمترین شکل پذیری است. در مقابل، آلیاژ As-cast AlSi10Mg دارای بالاترین شکل‌پذیری اما کمترین استحکام است و آلیاژ آلومینیوم 7005 دارای استحکام و شکل‌پذیری متوسط ​​است که فقط بین دو ماده دیگر قرار دارد.

آزمایش کشش آلیاژهای مختلف آلومینیوم: (الف) ابعاد هندسی نمونه‌های کششی. (ب) منحنی تنش-کرنش

خواص مکانیکی ساختار شبکه را می توان با افزایش گره افزایش داد. در این مطالعه، روش آماده سازی و تأثیر مواد ستون مورد توجه قرار گرفته است. با مقایسه سازه مشبک هرمی تقویت شده با سازه معمولی، می توان دریافت که با افزایش تدریجی قطر ستون ها به سمت گره ها، آرماتوربندی حاصل می شود.
ویژگی های ساختار مشبک هرمی: ستاره های معمولی در سمت چپ، ستارگان تقویت شده در سمت راست

پارامترهای هندسی مربوطه ساختار مشبک به صورت زیر تعریف می شوند: de و dm به ترتیب قطر انتهای و وسط ستون را نشان می دهند. L، H و θ به ترتیب نشان دهنده عرض سطح پایین، ارتفاع سلول واحد و زاویه بین ستون و سطح پایین هستند. Le و Lc به ترتیب طول موثر و طول قطر برابر هستند. برای بررسی تأثیر پارامترهای هندسی، مقادیر de از 1.4 میلی‌متر تا 1.8 میلی‌متر در فواصل 0.1 میلی‌متر متغیر است، که در آن 1.4 میلی‌متر نیز قطر ساختارهای هرمی رایج مورد استفاده برای مقایسه است. هنگامی که de افزایش می یابد، dm کاهش می یابد تا چگالی نسبی ساختار شبکه بدون تغییر باقی بماند. مقادیر تتا از 35 درجه تا 55 درجه در فواصل 10 درجه متفاوت است.
چهار مجموعه نمونه، A، B، C و D، ساختار شبکه‌ای هرمی تقویت‌شده با گره
فرآیند تغییر شکل و نتایج شبیه‌سازی سازه‌های شبکه EP در گروه‌های A، B و C

سازه های مشبک تقویت شده در مواد سه ستونی با دو روش آماده سازی تهیه شد. اثرات روش‌های آماده‌سازی، مواد ستون و پارامترهای هندسی بر رفتار فشرده‌سازی و جذب انرژی به‌طور سیستماتیک با تجزیه و تحلیل اجزای محدود و آزمایش‌های فشرده‌سازی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج اصلی به شرح زیر خلاصه می شود:


(1) در مقایسه با تولید افزودنی های فلزی، روش تولید چاپ سه بعدی همراه با ریخته گری سرمایه گذاری، نوسان تنش را در مرحله فلات منحنی تنش-کرنش ساختار شبکه هرمی حذف می کند و حتی جذب انرژی را در زوایای شیب زیاد افزایش می دهد. با این حال، مقاومت فشاری در همان زمان کاهش می یابد.


(2) افزایش زاویه شیب ساختار شبکه هرمی تقویت شده می تواند شکاف در ظرفیت باربری را کاهش دهد و جذب انرژی را بهبود بخشد. برای ساختار شبکه ای آلیاژ آلومینیوم As-cast 7005، شکستگی شکننده در حین فشرده سازی رخ می دهد که منجر به اتلاف انرژی می شود.


(3) قطر انتهایی ساختار شبکه هرمی تقویت شده برای مقاومت فشاری و جذب انرژی بسیار مهم است. ضخیم شدن قطر انتهایی غلظت تنش در نزدیکی گره ها را تا حدی کاهش می دهد.


(4) پوشش نقطه شانه نسبت به زاویه شیب در نمودار جذب انرژی یک خط مستقیم است. نقشه جذب انرژی نشان می‌دهد که برای AlSi10Mg، زمانی که σ/ES6.84×10، استفاده از آلیاژ آلومینیوم 7005 به عنوان یک مصالحه است.



(5) معادلات نظری و تجزیه و تحلیل اجزای محدود با نتایج تجربی سازگار است و می‌تواند برای پیش‌بینی خواص مکانیکی و جذب انرژی ساختار شبکه‌ای هرمی تقویت‌شده با گره استفاده شود.

مواد شبکه لانه زنبوری به دلیل چگالی کم، استحکام ویژه بالا و تخلخل به مواد مهم ساختاری و کاربردی تبدیل شده اند. مواد لانه زنبوری معمولی عمدتاً فوم ها، اسفنج ها و لانه زنبوری هستند که اغلب برای اهداف کاربردی مانند موانع صوتی، دستگاه های ضد لرزش و دستگاه های محافظت در برابر ضربه استفاده می شوند. برای فوم ها و اسفنج های فلزی، ساختارهای منفذی مانند شکل، اندازه، تعداد و توزیع منافذ ذاتاً تصادفی هستند، به عبارت دیگر، تقریباً غیرقابل کنترل هستند، در حالی که برای لانه زنبوری، توزیع منافذ و خواص مکانیکی به شدت ناهمسانگرد است. این ویژگی ها کاربرد مواد سنتی لانه زنبوری فلزی را تا حدی محدود می کند.

پرینت سه بعدی سازه های مشبک یکی از ایده آل ترین راه حل ها برای این مشکلات خواهد بود. آن‌ها ساختارهای شبکه‌ای را دقیقاً مهندسی کرده‌اند، مواد ماتریسی تقریباً نامحدودی دارند، خواص بهینه‌شده‌ای دارند و می‌توان آن‌ها را با بسیاری از تکنیک‌های مقیاس صنعتی ساخت، که آنها را به کاربردهای مهمی در بسیاری از زمینه‌های مهندسی در هوافضا تبدیل می‌کند.