Различия в производительности между 3D-печатью и традиционными технологическими материалами и решетчатыми структурами

Различия в производительности 3D-печати и традиционных технологических материалов и решетчатых структур
Металлическая трехмерная решетчатая структура обладает превосходными механическими свойствами, такими как высокая удельная прочность, высокая механическая эффективность и высокая способность поглощения энергии, и имеет широкие перспективы применения в различных областях техники, таких как легкая авиакосмическая промышленность, транспортные конструкции и устройства защиты от ударов. Фактически, металлическая решетчатая конструкция уже давно используется в конструкциях космических кораблей моей страны.

Свойства решетчатой ​​структуры и способность поглощения энергии

Одним из важнейших свойств решетчатых материалов является энергопоглощающая способность, которая характеризуется способностью поглощать или рассеивать механическую энергию при сжатии. Было подтверждено, что большинство решетчатых структур, таких как пирамидальные решетки, трехмерные решетки Кагоме, тетраэдрические решетки и алмазные решетки, могут обеспечить очень хорошие характеристики поглощения энергии за счет изменения геометрических параметров, таких как соотношение сторон или размер элементарной ячейки.

Кроме того, было продемонстрировано, что проектируемые сэндвич-панели с решетчатой ​​структурой демонстрируют превосходные свойства поглощения энергии. В дополнение к геометрическим параметрам, характеристики поглощения энергии также можно регулировать с помощью сложных структур, таких как градиентные структуры, структуры, заполненные металлической пеной, многослойные структуры и различные структуры с элементарными ячейками, которые, как было показано, более эффективны в поглощении энергии, чем одиночная решетка. структуры эффективны.

3D-печатные градиентные решетчатые конструкции

Другой способ улучшить механические свойства или способность поглощать энергию — изменить узловую структуру, соединяющую стойки. При воздействии сжимающих или ударных нагрузок обычно возникает концентрация напряжений. Этот метод относительно прост, но он может улучшить способность поглощения энергии металлической решетчатой ​​структурой. Аспекты очень эффективны.

Схема изготовления решетчатой ​​конструкции

Традиционное мастерство и 3D-печать имеют свои ограничения.

На сегодняшний день существует несколько технологий изготовления металлических решетчатых конструкций, в том числе штамповка, резка экструзионной проволокой, фальцовка листового расширения и литье по выплавляемым моделям. Помимо литья, в этих методах необходимо использовать методы склеивания или сварки для сборки стоек для формирования решетчатой ​​конструкции. В процессе обработки соединения часто чувствительны к дефектам, таким как пузырьки и микротрещины, что приводит к ослаблению общих механических свойств решетчатой ​​структуры. Для технологии литья по выплавляемым моделям конфигурация электролизера не может быть слишком сложной из-за ограничений самой технологии.

Появление технологии 3D-печати сделало изготовление решетчатых конструкций менее сложным и не требует сочетания традиционных процессов. Однако из-за ограниченности материалов, которые можно формовать, эта технология все еще имеет недостатки при изготовлении решетчатых структур.

Чтобы преодолеть ограничения аддитивного производства и литья по выплавляемым моделям, в последние годы была разработана новая технология, сочетающая 3D-печать с литьем по выплавляемым моделям. В этой технологии решетчатая структура на основе легкоплавкой смолы сначала изготавливается путем 3D-печати, а затем используется для изготовления формы керамической оболочки. Наконец, расплавленный металл проникает в полость формы под действием сжатого воздуха, а после затвердевания металла внешняя оболочка удаляется для получения металлической решетчатой ​​структуры. Помимо возможности создания любой сложной конфигурации, метод имеет мало ограничений по выбору материалов.

3D-печать и литье по выплавляемым моделям для изготовления решетчатых конструкций.

Литая алюминиевая решетчатая конструкция, изготовленная методом 3D-печати + литье

Для дальнейшего сравнения различий в механических свойствах и поглощении энергии, вызванных различными методами подготовки решетчатых структур, Ключевая лаборатория физики материалов Института физики твердого тела Института физических наук Хэфэй Китайской академии наук в сотрудничестве с Высшая школа Университета науки и технологий Китая совместила 3D-печать с литьем по выплавляемым моделям. В ходе прямого аддитивного производства металлов была подготовлена ​​усиленная пирамидальная решетчатая структура из трех основных материалов, а характеристики сжатия и характеристики поглощения энергии были теоретически проанализированы и экспериментально проверены с помощью моделирования методом конечных элементов.

Различия в характеристиках решетчатых структур, изготовленных разными способами

Образцы решетчатой ​​структуры были изготовлены двумя методами: прямой 3D-печатью и 3D-печатью в сочетании с литьем по выплавляемым моделям. В первом используется принтер BLT-A300, а в качестве материала выбран порошок AlSi10Mg, подходящий для 3D-печати; в последнем используется литой сплав AlSi10Mg и алюминиевый сплав 7005.


Чтобы понять механические свойства различных алюминиевых сплавов, использованных в этом исследовании, были проведены эксперименты на растяжение. Соответствующие кривые растяжения-деформации показывают, что AlSi10Mg, напечатанный методом прямой 3D-печати из металла, имеет самую высокую прочность и жесткость, но самую низкую пластичность; Напротив, литой сплав AlSi10Mg имеет самую высокую пластичность, но самую низкую прочность, а алюминиевый сплав 7005 имеет среднюю прочность и пластичность, занимая промежуточное положение между двумя другими материалами.

Испытания на растяжение различных алюминиевых сплавов: а) геометрические размеры образцов на растяжение; (б) кривые растяжения-деформации

Механические свойства решетчатой ​​структуры можно улучшить за счет узлового усиления. В этом исследовании основное внимание уделяется методу подготовки и влиянию материала опоры. Сравнивая усиленную решетчатую конструкцию пирамиды с обычной конструкцией, можно увидеть, что усиление достигается за счет постепенного увеличения диаметра столбов по направлению к узлам.

Особенности строения решетки пирамиды: слева обычные звезды, справа усиленные звезды.

Соответствующие геометрические параметры решетчатой ​​конструкции определяются следующим образом: de и dm представляют собой диаметр конца и середины колонны соответственно; L, H и θ представляют собой ширину нижней поверхности, высоту элементарной ячейки и угол между стойкой и нижней поверхностью соответственно; Le и Lc соответственно — эффективная длина и длина, равная диаметру стойки. Для исследования влияния геометрических параметров значения отклонялись от 1,4 мм до 1,8 мм с интервалом 0,1 мм, где 1,4 мм также является диаметром обычно используемых пирамидальных структур, используемых для сравнения. При увеличении de dm уменьшается, сохраняя относительную плотность решетчатой ​​структуры неизменной. Значения тета варьируются от 35° до 55° с интервалом 10°.

Четыре набора образцов: A, B, C и D, структура пирамидальной решетки с усиленными узлами.

Процесс деформирования и результаты моделирования решетчатых структур ЭП в группах А, Б и С

Армированные решетчатые конструкции из трехкомпонентных материалов были изготовлены двумя методами подготовки. Влияние методов подготовки, материалов опор и геометрических параметров на поведение при сжатии и поглощение энергии систематически исследовалось с помощью анализа методом конечных элементов и экспериментов по сжатию. Основные выводы суммируются следующим образом:


(1) По сравнению с аддитивным производством металлов, метод 3D-печати в сочетании с литьем по выплавляемым моделям устраняет колебания напряжения на стадии плато кривой напряжения-деформации пирамидальной решетчатой ​​структуры и даже увеличивает поглощение энергии при больших углах наклона. Однако при этом снижается прочность на сжатие.


(2) Увеличение угла наклона усиленной пирамидальной решетчатой ​​конструкции может сузить разрыв в несущей способности и улучшить поглощение энергии. В отлитой решетчатой ​​структуре алюминиевого сплава 7005 во время сжатия происходит хрупкое разрушение, что приводит к потерям энергии.


(3) Конечный диаметр армированной пирамидальной решетчатой ​​структуры имеет решающее значение для прочности на сжатие и поглощения энергии. Утолщение торцевого диаметра в некоторой степени снижает концентрацию напряжений вблизи узлов.


(4) Огибающая точки плеча относительно угла падения на диаграмме поглощения энергии представляет собой прямую линию. Карта поглощения энергии показывает, что для AlSi10Mg, когда σ/ES<1.48×10, 3D printing combined with investment casting is a better choice, and metal additive manufacturing can be considered instead. When σ/ES>6,84×10, использование литого алюминиевого сплава 7005 является компромиссным решением.



(5) Теоретические уравнения и анализ методом конечных элементов согласуются с экспериментальными результатами и могут использоваться для прогнозирования механических свойств и свойств поглощения энергии пирамидальной структуры решетки с узловым усилением.

Материалы с сотовой решеткой стали важными конструкционными и функциональными материалами из-за их низкой плотности, высокой удельной прочности и пористости. Обычными сотовыми материалами являются в основном пенопласты, губки и соты, которые часто используются для функциональных целей, таких как звуковые барьеры, антивибрационные устройства и устройства защиты от ударов. Для металлических пенопластов и губок структура пор, такая как форма, размер, количество и распределение пор, по своей сути случайна, иными словами, они практически неконтролируемы, тогда как для сот распределение пор и механические свойства сильно анизотропны противоположному полу. . Эти характеристики в определенной степени ограничивают применение традиционных металлических сотовых материалов.

3D-печать решетчатых структур была бы одним из самых идеальных решений этих проблем. Они имеют точно спроектированную решетчатую структуру, практически неограниченное количество матричных материалов, оптимизированные свойства и могут быть изготовлены с использованием многих технологий промышленного масштаба, что делает их важными применениями во многих инженерных областях аэрокосмической отрасли.