Diferenças no desempenho entre impressão 3D e materiais de processo tradicionais e estruturas treliçadas

Diferenças no desempenho entre a impressão 3D e materiais de processo tradicionais e estruturas treliçadas
A estrutura de treliça tridimensional metálica possui excelentes propriedades mecânicas, como alta resistência específica, alta eficiência mecânica e forte capacidade de absorção de energia, e tem amplas perspectivas de aplicação em vários campos da engenharia, como aeroespacial leve, estruturas de transporte e dispositivos de proteção contra impacto. Na verdade, a estrutura de treliça metálica tem sido amplamente utilizada nos produtos de estrutura de naves espaciais do meu país.

Propriedades da estrutura reticulada e capacidade de absorção de energia

Uma das propriedades mais importantes dos materiais reticulados é a capacidade de absorção de energia, que é caracterizada pela capacidade de absorver ou dissipar energia mecânica durante a compressão. Foi confirmado que a maioria das estruturas de rede, como redes piramidais, redes Kagome tridimensionais, redes tetraédricas e redes de diamante, podem alcançar um desempenho de absorção de energia muito bom alterando parâmetros geométricos, como proporção de aspecto ou tamanho de célula unitária.

Além disso, também foi demonstrado que painéis sanduíche projetáveis ​​com estruturas treliçadas apresentam excelentes propriedades de absorção de energia. Além dos parâmetros geométricos, o desempenho de absorção de energia também pode ser ajustado por estruturas complexas, como estruturas gradientes, estruturas preenchidas com espuma metálica, estruturas multicamadas e diferentes estruturas de células unitárias, que demonstraram ser mais eficientes na absorção de energia do que estruturas de rede única eficientes.

Estruturas de treliça gradiente impressas em 3D

Outra forma de melhorar as propriedades mecânicas ou a capacidade de absorção de energia é modificar a estrutura nodal que conecta as escoras. Quando submetido a cargas compressivas ou de choque, geralmente ocorre concentração de tensões. Este método é relativamente simples, mas pode melhorar a capacidade de absorção de energia da estrutura metálica. Os aspectos são muito eficazes.

Esquema de preparação da estrutura treliçada

O artesanato tradicional e a impressão 3D têm suas próprias limitações

Até o momento, tem havido diversas técnicas para a fabricação de estruturas de treliça metálica, incluindo estampagem, corte de fio ligado por extrusão, dobramento de folha de expansão e fundição de precisão. Além da fundição, essas técnicas devem utilizar técnicas de colagem ou soldagem para montar as escoras para formar a estrutura treliçada. Durante o processamento, as junções são frequentemente sensíveis a defeitos, como bolhas e microfissuras, levando a um enfraquecimento das propriedades mecânicas gerais da estrutura da rede. Para a tecnologia de microfusão, a configuração do eletrolisador não pode ser muito complicada devido às limitações da própria tecnologia.

O advento da tecnologia de impressão 3D tornou a fabricação de estruturas treliçadas menos difícil e não requer a combinação de processos tradicionais. No entanto, devido aos materiais limitados que podem ser formados, esta tecnologia ainda apresenta deficiências na fabricação de estruturas treliçadas.

Para superar as limitações da fabricação aditiva e da fundição de precisão, uma nova tecnologia que combina impressão 3D com fundição de precisão foi desenvolvida nos últimos anos. Nesta tecnologia, uma estrutura treliçada à base de resina de baixo ponto de fusão é primeiro fabricada por impressão 3D e depois usada para fazer um molde de casca de cerâmica. Finalmente, o metal fundido penetra na cavidade do molde sob a ação do ar comprimido e, após a solidificação do metal, o invólucro externo é removido para obter uma estrutura de treliça metálica. Além de poder gerar qualquer configuração complexa, o método tem poucas restrições na escolha dos materiais.
Impressão 3D e microfusão para fabricar estruturas treliçadas

Estrutura treliçada de alumínio fundido feita por impressão 3D + fundição

A fim de comparar ainda mais as diferenças nas propriedades mecânicas e na absorção de energia causadas por diferentes métodos de preparação de estruturas reticuladas, o Laboratório Principal de Física de Materiais, Instituto de Física do Estado Sólido, Instituto Hefei de Ciências Físicas, Academia Chinesa de Ciências, em cooperação com a Escola de Pós-Graduação da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, combinou impressão 3D com fundição de precisão. E a fabricação aditiva de metal direto, a estrutura piramidal reforçada de três materiais de pilares foi preparada, e o comportamento de compressão e as características de absorção de energia foram analisados ​​teoricamente e verificados experimentalmente por simulação de elementos finitos.

Diferenças no desempenho de estruturas treliçadas fabricadas por diferentes processos

As amostras de estrutura treliçada foram preparadas por duas técnicas, impressão 3D direta e impressão 3D combinada com fundição de precisão. O primeiro usa uma impressora BLT-A300, e o material seleciona pó AlSi10Mg adequado para impressão 3D; o último usa liga AlSi10Mg fundida e liga de alumínio 7005.


Para compreender as propriedades mecânicas das diferentes ligas de alumínio utilizadas neste estudo, foram realizados experimentos de tração. As curvas de tensão-deformação relevantes mostram que o AlSi10Mg impresso em 3D de metal direto tem a maior resistência e rigidez, mas a menor ductilidade; em contraste, a liga AlSi10Mg fundida tem a maior ductilidade, mas a menor resistência, e a liga de alumínio 7005 tem resistência e ductilidade médias, apenas intermediárias entre os outros dois materiais.

Ensaios de tração de diferentes ligas de alumínio: (a) dimensões geométricas dos corpos de prova de tração; (b) curvas tensão-deformação

As propriedades mecânicas da estrutura treliçada podem ser melhoradas pelo aprimoramento nodal. Neste estudo, o método de preparação e a influência do material do pilar são o foco de atenção. Ao comparar a estrutura treliçada piramidal reforçada com a estrutura usual, verifica-se que o reforço é conseguido aumentando gradativamente o diâmetro dos pilares em direção aos nós.
Características da estrutura piramidal: estrelas comuns à esquerda, estrelas realçadas à direita

Os parâmetros geométricos relevantes da estrutura treliçada são definidos da seguinte forma: de e dm representam o diâmetro da extremidade e do meio do pilar, respectivamente; L, H e θ representam a largura da superfície inferior, a altura da célula unitária e o ângulo entre o pilar e a superfície inferior, respectivamente; Le e Lc, respectivamente, são o comprimento efetivo e o comprimento de diâmetro igual da biela. Para investigar o efeito dos parâmetros geométricos, os valores variaram de 1,4 mm a 1,8 mm em intervalos de 0,1 mm, onde 1,4 mm também é o diâmetro das estruturas piramidais comumente usadas para comparação. Quando de aumenta, dm diminui para manter inalterada a densidade relativa da estrutura reticulada. Os valores teta variam de 35° a 55° em intervalos de 10°.
Quatro conjuntos de amostras, A, B, C e D, estrutura de rede piramidal aprimorada por nós
Processo de deformação e resultados de simulação de estruturas reticuladas EP nos grupos A, B e C

As estruturas treliçadas reforçadas nos três materiais dos pilares foram preparadas por dois métodos de preparação. Os efeitos dos métodos de preparação, materiais dos pilares e parâmetros geométricos no comportamento de compressão e absorção de energia foram sistematicamente investigados por análise de elementos finitos e experimentos de compressão. As principais conclusões são resumidas da seguinte forma:


(1) Em comparação com a fabricação aditiva de metal, o método de fabricação de impressão 3D combinado com fundição de investimento elimina a flutuação de tensão no estágio de platô da curva tensão-deformação da estrutura da pirâmide e até aumenta a absorção de energia em grandes ângulos de inclinação. No entanto, a resistência à compressão diminui ao mesmo tempo.


(2) Aumentar o ângulo de inclinação da estrutura de treliça piramidal reforçada pode diminuir a lacuna na capacidade de carga e melhorar a absorção de energia. Para a estrutura treliçada de liga de alumínio 7005 fundida, a fratura frágil ocorre durante a compressão, resultando em perda de energia.


(3) O diâmetro final da estrutura piramidal reforçada é crítico para a resistência à compressão e absorção de energia. O espessamento do diâmetro final reduz até certo ponto a concentração de tensão perto dos nós.


(4) O envelope do ponto de ressalto em relação ao ângulo de inclinação no diagrama de absorção de energia é uma linha reta. O mapa de absorção de energia mostra que para AlSi10Mg, quando σ/ES6,84×10, o uso da liga de alumínio 7005 fundida é um compromisso.



(5) As equações teóricas e a análise de elementos finitos são consistentes com os resultados experimentais e podem ser usadas para prever as propriedades mecânicas e de absorção de energia da estrutura de rede piramidal aprimorada nodal.

Os materiais treliçados em favo de mel tornaram-se materiais estruturais e funcionais importantes devido à sua baixa densidade, alta resistência específica e porosidade. Os materiais convencionais em favo de mel são principalmente espumas, esponjas e favos de mel, que são frequentemente usados ​​para fins funcionais, como barreiras acústicas, dispositivos antivibração e dispositivos de proteção contra impactos. Para espumas metálicas e esponjas, as estruturas dos poros, como forma, tamanho, número e distribuição dos poros, são inerentemente aleatórias, ou seja, são quase incontroláveis, enquanto para o favo de mel, a distribuição dos poros e as propriedades mecânicas são fortemente anisotrópicas do sexo oposto. Essas características limitam até certo ponto a aplicação de materiais alveolares metálicos tradicionais.

A impressão 3D de estruturas treliçadas seria uma das soluções mais ideais para esses problemas. Eles têm estruturas reticuladas projetadas com precisão, materiais de matriz virtualmente ilimitados, propriedades otimizadas e podem ser fabricados por muitas técnicas em escala industrial, tornando-os aplicações importantes em muitos campos da engenharia aeroespacial.