解析，胞元建模四大類型

胞元結構是增材制造的一個重要的研究領域，正如3D科學谷之前的文章《3D打印胞元結構建模的六大挑戰(zhàn)》所提到的，就像建筑用的空心磚，胞元的應用減少了材料的使用，有效幫助實現(xiàn)輕量化，而與此同時，如何保證仍然滿足力學性能的要求，則成為建模界“才下眉頭、卻上心頭”縈繞不散的要緊事。接下來我們一起看一下常見的幾種結構，以及這些結構的應用特點。

蜂窩
蜂窩結構是蜂巢的基本結構,是由一個個正六角形單房、房口全朝下或朝向一邊、背對背對稱排列組合而成的一種結構。這種結構有著優(yōu)秀的幾何力學性能，因此在材料學科具有廣泛應用。

蜜蜂的蜂窩構造非常精巧、適用而且節(jié)省材料。蜂房由無數(shù)個大小相同的房孔組成，房孔都是正六角形，每個房孔都被其它房孔包圍，兩個房孔之間只隔著一堵蠟制的墻。令人驚訝的是，房孔的底既不是平的，也不是圓的，而是尖的。這個底是由三個完全相同的菱形組成。有人測量過菱形的角度，兩個鈍角都是109°而兩個銳角都是70°。令人叫絕的是，世界上所有蜜蜂的蜂窩都是按照這個統(tǒng)一的角度和模式建造的。

蜂房的結構引起了科學家們的極大興趣。經(jīng)過對蜂房的深入研究，科學家們驚奇地發(fā)現(xiàn)，相鄰的房孔共用一堵墻和一個孔底，非常節(jié)省建筑材料；房孔是正六邊形，蜜蜂的身體基本上是圓柱形，蜂在房孔內既不會有多余的空間又不感到擁擠。 蜂窩的結構給航天器設計師們很大啟示，他們在研制時，采用了蜂窩結構：先用金屬制造成蜂窩，然后再用兩塊金屬板把它夾起來就成了蜂窩結構。這種蜂窩結構強度很高，重量又很輕，還有益于隔音和隔熱。因此，現(xiàn)在的航天飛機、人造衛(wèi)星、宇宙飛船在內部大量采用蜂窩結構，衛(wèi)星的外殼也幾乎全部是蜂窩結構。因此，這些航天器又統(tǒng)稱為“蜂窩式航天器”。

圖：寶馬i3碰撞結構設計部分

開孔泡沫

所含泡孔絕大多數(shù)都是互相連通的泡沫塑料。開孔結構的獲得僅當滿足下列條件：（1）每個球形或多邊形泡孔必須至少有兩個孔或兩個破壞面；（2）大多數(shù)泡孔棱必須為至少3個結構單元所共有。

與閉孔泡沫相比較，開孔泡沫對水和濕氣有更高的吸收能力，對氣體和蒸汽有更高的滲透性，對熱或電有更低的絕緣性，還有更好的吸收和阻尼聲音的能力。對設計的影響方面，與蜂窩不同的是，開孔泡沫的設計更適合用于刺激環(huán)境下（應力、流動、熱），這些是不可預測的。作為吸收能量的“利器”，開孔泡沫適合用于復雜結構。開孔泡沫材料之間的互聯(lián)互通，也使得流體流過該結構更順暢。

圖：金屬泡沫材料的掃描電鏡圖像

圖：開孔泡沫單元在壓縮下的有限元模擬，考慮了彎曲的主要變形模式

閉孔泡沫

閉孔泡沫的泡孔是由泡壁和泡棱圍城的閉合結構，結構完整，泡孔之間相互鼓勵，互不相通。但在實際中，開孔結構和閉孔結構可能同時存在泡沫中出現(xiàn)，只是出現(xiàn)的幾率不同而已。因此，根據(jù)泡沫中開孔結構和閉孔結構所占比率，將閉孔結構達90%以上的泡沫定義為閉孔泡沫；反之則定義為開孔泡沫。


泡孔結構對泡沫塑料的性能有重大的影響，一般情況下，閉孔泡沫塑料的力學強度較高，絕熱性和沖緩性都較優(yōu)，吸水性小，而開孔泡沫塑料較柔軟，更富彈性，隔音性良好。閉孔泡沫塑料除具有一般泡沫塑料特性外，還具有較低的導熱性和吸水性。閉孔泡沫材料一般用作保溫、絕緣、隔音、包裝、漂浮、減震以及結構材料等用途。

晶格
晶格的外觀非常類似于開孔泡沫，但不同的是，晶格成員的變形是拉伸為主，而不是彎曲。晶格結構的材料特點是重量輕、高強度比和高特定剛性。并且?guī)�來各種熱力學特征，晶格結構的超輕型結構適合用在抗沖擊/爆炸系統(tǒng)、或者充當散熱介質、聲振、微波吸收結構和驅動系統(tǒng)中。

波音公司就將晶格結構的超輕3D打印材料用于飛機墻面和地板等非機械部件。這使得飛機重量大大減輕，提高飛機的燃油效率。感謝晶格結構的獨特特性以及低體積容量，晶格結構與功能部件的設計結合已被證明是增材制造發(fā)揮潛力的優(yōu)勢領域。

Thales Alenia Space還打印了含晶格的金屬結構重量為1.7公斤，體積為134×28×500毫米。用于歐洲最大的衛(wèi)星制造商Thales Alenia Space的衛(wèi)星上。

來源：3D科學谷
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