【焦点】点阵结构 l 单胞构型和微观缺陷对SLM制备NiTi合金高刚度点阵结构疲劳性能的影响…l 中国工程物理研究院…

|3DScienceValley· 2024/05/03

谷专栏

点阵结构材料由于在热、电和光学性能等方面具有的优势，以及作为潜在的轻量化材料而受到人们关注。点阵结构，为实现零部件不同的外观和性能打开了一扇门。点阵结构所固有的复杂性，使得增材制造/3D打印技术与其制造有着天然的结合点。3D打印的一大优势是灵活性以及打印成本对产品的复杂性不敏感，这也是复杂的点阵结构成为3D打印领域的一大热门研究方向的主要原因。

设计师通过调整单个胞元尺寸、杆径和胞元形状，将可能实现产品更高的设计美感和力学性能。结合3D打印在制造复杂结构方面的能力，设计师能够更加能够专注于产品本身，这为3D打印晶格结构的应用打开了更大的空间。

本期，通过聚焦近期国内在点阵结构方面的实践与研究的多个闪光点，与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。

单胞构型和微观缺陷对SLM制备
NiTi合金高刚度点阵结构疲劳性能的影响

司冠琛、向政、杨琴、沈显峰、陈捷、黄姝珂
中国工程物理研究院机械制造工艺研究所

摘要：

采用选区激光熔化（SLM）技术制备了三种高刚度镍钛合金点阵结构（带有Z轴增强支柱的体心立方结构-BCCZ、带有Z轴增强支柱的面心立方结构-FCCZ、带有Z轴增强支柱的面体心立方结构-FBCCZ），研究了结构类型和微观缺陷对疲劳性能的影响。

试验结果显示：FBCCZ结构的疲劳性能最优，最大压缩应力为25 MPa时，实现107次加载循环；BCCZ和FCCZ结构的疲劳性能较差，最大压缩应力为15 MPa附近时，实现107次加载循环。

分析结果表明：循环加载应力较大时，FBCCZ结构疲劳寿命最优，FCCZ次之，BCCZ最差，此时点阵结构的单胞类型对疲劳性能的影响显著，结构的变形程度和应力集中程度越小，疲劳性能越好。循环加载应力较小时，FCCZ结构和BCCZ结构的疲劳寿命逐渐接近。此时单胞结构对疲劳性能的影响减弱，微观缺陷对疲劳性能的影响增强，试样中的孔洞缺陷在循环加载过程中将促进疲劳裂纹的萌生，降低疲劳性能。

选区激光熔化成形FeCrNi
中熵合金点阵结构及其力学性能

孙驰1汪健1贺贺2秦冬阳2曹远奎1付遨1刘彬1
1.中南大学粉末冶金研究院2. 西北工业大学航空学院

摘要：

金属点阵结构材料由于其轻量化、高比强度、能量吸收和多孔性等优势，广泛应用于航空航天、汽车工业等领域。以高强韧FeCrNi中熵合金(medium entropy alloy,MEA)为研究对象，采用选区激光熔化(selective laser melting,SLM)技术制备了具有BCC,BCCZ,FCC,FCCZ四种仿晶格结构的FeCrNi中熵合金点阵结构材料，对其显微组织、力学性能及变形行为进行了系统研究。

结果表明，采用SLM技术制备的FeCrNi中熵合金点阵结构节点搭接质量高，熔池交错堆叠致密，晶粒均匀细小。在相对密度相近时，BCC,FCC,BCCZ,FCCZ点阵结构的比强度和比能量吸收值依次升高。具有FCCZ点阵结构的FeCrNi中熵合金材料的比能量吸收值达到49.8 J·g-1，显著高于Ti6Al4V及316L不锈钢点阵材料。有限元模拟分析表明，Z型支柱的存在增加了点阵材料的表观强度和刚度，并导致变形行为由结点弯曲主导向拉轴向压缩主导转变，是FCCZ点阵结构强度提升的主要原因。

304不锈钢多层梯度点阵结构
压缩性能及梯度率影响研究

徐向聪1高佳丽1郝云波2
1.上海理工大学机械工程学院2. 上海航天设备制造总厂有限公司

摘要：

采用试验与有限元分析相结合的方法研究了变密度多层梯度点阵型金属减振结构的吸能性能。首先，以体心立方(Body-Centered Cubic, BCC)结构为基础单胞，分别设计了变直径BCC(Diameter BCC, DBCC)和变角度BCC(Angle BCC, ABCC)两种梯度点阵结构，并采用选择性激光熔融工艺实现了304不锈钢多层梯度结构的制备。然后，对比研究了梯度点阵结构和均匀点阵结构的压缩和吸能性能。

有限元仿真和实验结果均表明，DBCC结构自压缩过程开始，低密度层带动高密度层逐层坍塌，在小应变阶段具有较高的吸能效率，而应力分布不均匀导致其力学性能和整体能量吸收大小较均匀结构大幅降低。ABCC结构小应变阶段抗压性能强，压缩至大应变阶段发生逐层塌陷，一定程度上提升了结构的吸能性能，同时增大ABCC结构梯度率可有效提高结构的弹性模量和吸能特性。

基于点阵和TPMS结构的
电子器件散热器性能数值模拟研究

张涵1于磊2程志龙1王秋旺1
1.西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室2. 沈阳飞机设计研究所

摘要：

随着电子器件集成度显著提高，散热问题愈加突出，为保证电子器件正常工作，对散热器的性能要求愈发严苛，目前强制风冷是最普遍的散热方式，针对传统风冷散热器的翅片结构具有换热面积小、对流换热系数低等缺陷，提出SC-BCC点阵和三周期极小曲面(TPMS,W型) 2种翅片结构风冷散热器，并对其传热性能开展了数值模拟研究。采用体积平均尺度(REV)数值仿真模型，对大尺寸风冷散热器进行传热性能研究具有较高可靠性，可大幅节省计算资源与成本。

数值计算结果显示：在相同孔隙率和入口速度条件下，SC-BCC结构的压降比TPMS结构高27.2%,热流量比TPMS结构高6.7%。该结果表明在对传热性能需求较高而可接受压降范围较大的情况下可选择点阵结构，相反可选择TPMS结构。

基于选区激光熔化技术的空心
变截面梁点阵建模与性能研究

张朝瑞、钱波、张立浩
上海工程技术大学机械与汽车工程学院

摘要：

针对点阵结构受力不均、材料分布不合理和功能性单一等问题，设计了一种空心变截面梁点阵。该点阵主要由空心变截面梁和无冠空心球体组成，优化了节点连接方式，改善了材料分布，相比于传统体心立方点阵更具优势。完成了空心变截面梁点阵结构几何分析，基于点阵的几何数据模型和铁木辛柯梁理论推导了点阵结构参数与相对密度和力学性能之间的函数关系。设计了单胞边长10 mm空心变截面梁点阵，在同一相对密度、不同曲率半径的变截面梁点阵进行了准静态压缩仿真模拟，采用选区激光熔化技术制备了变截面梁点阵，进行了形貌分析和准静态压缩试验。

结果表明：压缩仿真结果与实验结果趋势吻合，空心变截面梁点阵相比于传统体心立方点阵性能更优，外轮廓曲率半径为4 mm时力学性能最优，相比于普通点阵承载能力提高43%；变截面梁外轮廓及内孔光洁度较高，扫描提取模型与原模型相比偏差在0.25 mm以内。

光固化制造仿生蝴蝶
点阵结构压缩及吸能性能研究

谢炜豪1,2杨永泰1,2,3
1.福建农林大学机电工程学院2. 中国科学院海西研究院泉州装备制造研究中心3. 中国科学院大学

摘要：

结构功能梯度点阵模型不仅有优异的抗压及吸能特性,而且能够达到轻量化的效果,因而被广泛运用在机械、车辆、航空航天等领域。受蝴蝶蝶翼几何形状的启发,结合菱形正十二面体单胞,设计一种新型单胞,通过参数化建模将其阵列为等杆径点阵结构,并设计相应的梯度点阵结构进行对比。以光敏树脂为原料,运用光固化增材制造技术进行结构制备。基于准静态压缩实验探究了两种点阵结构的压缩性能及吸能性能。

结果表明,两种结构都以逐层塌陷的方式达到致密化,但裂纹扩展的方向相反;两种结构的单位体积应变能随着杆径及几何形状参数的增大而增加;在点阵结构尺寸相同的情况下,梯度点阵结构用料更少,但能大幅度提升比吸能。

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