Diferencias de rendimiento entre la impresión 3D y los materiales de proceso tradicionales y las estructuras reticulares

Diferencias de rendimiento entre la impresión 3D y los materiales de proceso tradicionales y las estructuras reticulares
La estructura de celosía tridimensional de metal tiene excelentes propiedades mecánicas, como alta resistencia específica, alta eficiencia mecánica y gran capacidad de absorción de energía, y tiene amplias perspectivas de aplicación en diversos campos de la ingeniería, como la industria aeroespacial ligera, estructuras de transporte y dispositivos de protección contra impactos. De hecho, la estructura de celosía metálica se ha utilizado con madurez en los productos de estructura de naves espaciales de mi país.

Propiedades de la estructura reticular y capacidad de absorción de energía.

Una de las propiedades más importantes de los materiales reticulares es la capacidad de absorción de energía, que se caracteriza por la capacidad de absorber o disipar energía mecánica durante la compresión. Se ha confirmado que la mayoría de las estructuras de celosía, como las celosías piramidales, las celosías tridimensionales de Kagome, las celosías tetraédricas y las celosías de diamantes, pueden lograr un rendimiento de absorción de energía muy bueno cambiando parámetros geométricos como la relación de aspecto o el tamaño de celda unitaria.

Además, también se ha demostrado que los paneles sándwich diseñables con estructuras de celosía exhiben excelentes propiedades de absorción de energía. Además de los parámetros geométricos, el rendimiento de la absorción de energía también se puede ajustar mediante estructuras complejas tales como estructuras de gradiente, estructuras rellenas de espuma metálica, estructuras multicapa y diferentes estructuras de celdas unitarias, que han demostrado ser más eficientes en la absorción de energía que las estructuras de celosía única.

Estructuras de celosía degradadas impresas en 3D

Otra forma de mejorar las propiedades mecánicas o la capacidad de absorción de energía es modificar la estructura nodal que conecta los puntales. Cuando se somete a cargas de compresión o de choque, generalmente se produce concentración de tensiones. Este método es relativamente simple, pero puede mejorar la capacidad de absorción de energía de la estructura de celosía metálica. Los aspectos son muy efectivos.

Esquema de preparación de estructura reticular.

La artesanía tradicional y la impresión 3D tienen sus propias limitaciones

Hasta la fecha, han existido varias técnicas para fabricar estructuras de celosía metálica, incluido el estampado, el corte de alambre unido por extrusión, el plegado de láminas de expansión y la fundición a la cera perdida. Además de la fundición, estas técnicas deben utilizar técnicas de unión o soldadura para ensamblar los puntales para formar la estructura reticular. Durante el procesamiento, las uniones suelen ser sensibles a defectos, como burbujas y microfisuras, lo que conduce a un debilitamiento de las propiedades mecánicas generales de la estructura reticular. Para la tecnología de fundición a la cera perdida, la configuración del electrolizador no puede ser demasiado complicada debido a las limitaciones de la tecnología misma.

La llegada de la tecnología de impresión 3D ha hecho que la fabricación de estructuras reticulares sea menos difícil y no requiere la combinación de procesos tradicionales. Sin embargo, debido a los limitados materiales que se pueden formar, esta tecnología todavía tiene deficiencias en la fabricación de estructuras reticulares.

Para superar las limitaciones de la fabricación aditiva y la fundición a la cera perdida, en los últimos años se ha desarrollado una nueva tecnología que combina la impresión 3D con la fundición a la cera perdida. En esta tecnología, primero se fabrica mediante impresión 3D una estructura reticular a base de resina de bajo punto de fusión y luego se utiliza para fabricar un molde de concha de cerámica. Finalmente, el metal fundido penetra en la cavidad del molde bajo la acción del aire comprimido y, una vez que el metal se solidifica, se retira la capa exterior para obtener una estructura de celosía metálica. Además de poder generar cualquier configuración compleja, el método tiene pocas restricciones en la elección de materiales.
Impresión 3D y fundición a la cera perdida para fabricar estructuras reticulares.

Estructura de celosía de aluminio fundido realizada mediante impresión 3D + fundición

Para comparar aún más las diferencias en las propiedades mecánicas y la absorción de energía causadas por diferentes métodos de preparación de estructuras reticulares, el Laboratorio Clave de Física de Materiales, el Instituto de Física del Estado Sólido, el Instituto Hefei de Ciencias Físicas, la Academia de Ciencias de China, en cooperación con la Escuela de Graduados de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, combinaron la impresión 3D con la fundición a la cera perdida. Y en la fabricación aditiva de metal directo, se preparó la estructura de celosía piramidal reforzada de tres materiales de pilares, y el comportamiento de compresión y las características de absorción de energía se analizaron teóricamente y se verificaron experimentalmente mediante simulación de elementos finitos.

Diferencias en el rendimiento de estructuras reticulares fabricadas mediante diferentes procesos.

Las muestras de estructura reticular se prepararon mediante dos técnicas: impresión 3D directa e impresión 3D combinada con fundición a la cera perdida. El primero utiliza una impresora BLT-A300 y el material selecciona polvo AlSi10Mg adecuado para la impresión 3D; este último utiliza aleación AlSi10Mg prefabricada y aleación de aluminio 7005.


Para comprender las propiedades mecánicas de las diferentes aleaciones de aluminio utilizadas en este estudio, se llevaron a cabo experimentos de tracción. Las curvas de tensión-deformación relevantes muestran que el metal AlSi10Mg impreso directamente en 3D tiene la mayor resistencia y rigidez, pero la menor ductilidad; por el contrario, la aleación de fundición AlSi10Mg tiene la mayor ductilidad pero la menor resistencia, y la aleación de aluminio 7005 tiene una resistencia y ductilidad medias, sólo intermedias entre los otros dos materiales.

Ensayos de tracción de diferentes aleaciones de aluminio: (a) dimensiones geométricas de las probetas de tracción; (b) curvas tensión-deformación

Las propiedades mecánicas de la estructura reticular se pueden mejorar mediante mejora nodal. En este estudio, el foco de atención se centra en el método de preparación y la influencia del material del pilar. Comparando la estructura de celosía piramidal reforzada con la estructura habitual, se puede observar que el refuerzo se consigue aumentando gradualmente el diámetro de los pilares hacia los nudos.
Características de la estructura de la red piramidal: estrellas ordinarias a la izquierda, estrellas mejoradas a la derecha

Los parámetros geométricos relevantes de la estructura reticular se definen de la siguiente manera: de y dm representan el diámetro del extremo y la mitad del pilar, respectivamente; L, H y θ representan el ancho de la superficie inferior, la altura de la celda unitaria y el ángulo entre el pilar y la superficie inferior, respectivamente; Le y Lc, respectivamente, son la longitud efectiva y la longitud del mismo diámetro del puntal. Para investigar el efecto de los parámetros geométricos, los valores de de oscilaron entre 1,4 mm y 1,8 mm en intervalos de 0,1 mm, donde 1,4 mm es también el diámetro de las estructuras piramidales comúnmente utilizadas para comparación. Cuando de aumenta, dm disminuye para mantener sin cambios la densidad relativa de la estructura reticular. Los valores theta varían de 35° a 55° en intervalos de 10°.
Cuatro conjuntos de muestras, A, B, C y D, estructura de celosía piramidal mejorada con nodos
Proceso de deformación y resultados de simulación de estructuras reticulares EP en los grupos A, B y C.

Las estructuras de celosía reforzada en los materiales de los tres pilares se prepararon mediante dos métodos de preparación. Los efectos de los métodos de preparación, los materiales de los pilares y los parámetros geométricos sobre el comportamiento de compresión y la absorción de energía se investigaron sistemáticamente mediante análisis de elementos finitos y experimentos de compresión. Las principales conclusiones se resumen a continuación:


(1) En comparación con la fabricación aditiva de metal, el método de fabricación de impresión 3D combinado con fundición a la cera perdida elimina la fluctuación de tensión en la etapa de meseta de la curva tensión-deformación de la estructura de celosía piramidal e incluso aumenta la absorción de energía en grandes ángulos de inclinación. Sin embargo, al mismo tiempo disminuye la resistencia a la compresión.


(2) Aumentar el ángulo de inclinación de la estructura de celosía piramidal reforzada puede reducir la brecha en la capacidad de carga y mejorar la absorción de energía. Para la estructura reticular de aleación de aluminio 7005, se produce una fractura frágil durante la compresión, lo que resulta en una pérdida de energía.


(3) El diámetro final de la estructura de celosía piramidal reforzada es fundamental para la resistencia a la compresión y la absorción de energía. El engrosamiento del diámetro del extremo reduce en cierta medida la concentración de tensiones cerca de los nodos.


(4) La envolvente del punto del hombro en relación con el ángulo de inclinación en el diagrama de absorción de energía es una línea recta. El mapa de absorción de energía muestra que para AlSi10Mg, cuando σ/ES6.84×10, el uso de aleación de aluminio 7005 como fundición es un compromiso.



(5) Las ecuaciones teóricas y el análisis de elementos finitos son consistentes con los resultados experimentales y pueden usarse para predecir las propiedades mecánicas y de absorción de energía de la estructura reticular piramidal mejorada con nodos.

Los materiales de celosía alveolar se han convertido en importantes materiales estructurales y funcionales debido a su baja densidad, alta resistencia específica y porosidad. Los materiales alveolares convencionales son principalmente espumas, esponjas y panales, que a menudo se utilizan con fines funcionales como barreras acústicas, dispositivos antivibraciones y dispositivos de protección contra impactos. Para las espumas y esponjas metálicas, las estructuras de los poros, como la forma, el tamaño, el número y la distribución de los poros, son inherentemente aleatorias; en otras palabras, son casi incontrolables, mientras que para el panal, la distribución de los poros y las propiedades mecánicas son fuertemente anisotrópicas del sexo opuesto. Estas características limitan en cierta medida la aplicación de los materiales tradicionales alveolares metálicos.

La impresión 3D de estructuras reticulares sería una de las soluciones más ideales para estos problemas. Tienen estructuras reticulares diseñadas con precisión, materiales de matriz prácticamente ilimitados, propiedades optimizadas y pueden fabricarse mediante muchas técnicas a escala industrial, lo que las convierte en aplicaciones importantes en muchos campos de la ingeniería aeroespacial.