點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)分享

來源：增材制造創(chuàng)新設(shè)計(jì)

點(diǎn)陣，一種周期性多孔結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為是大量相同的點(diǎn)陣單元通過某種形式周期性地組合而構(gòu)成。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的性能具有很高的設(shè)計(jì)靈活性。通過調(diào)整點(diǎn)陣的相對(duì)密度、單胞的構(gòu)型、連桿的尺寸，達(dá)到結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、韌性、耐久性、靜力學(xué)性能、動(dòng)力學(xué)性能的完美平衡。

輕質(zhì)、高強(qiáng)
點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)比強(qiáng)度和比剛度高，在低密度結(jié)構(gòu)中有較大的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的固體材料相比，金屬點(diǎn)陣材料的密度大大降低，具有相同性能的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以減重達(dá)70%以上。與金屬泡沫材料相比，金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)性能上可控制，強(qiáng)度和模量比金屬泡沫材料高出一個(gè)量級(jí)，承載效率更高。

吸能
點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)具有非常理想的抗爆炸、抗沖擊性能。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下一般會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)失穩(wěn)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生大的塑性/彈性變形，進(jìn)而吸收大部分沖擊能量。這種超彈性使其兼?zhèn)錁O高的能量吸收能力，可以用作抗沖擊結(jié)構(gòu)。比如做成坦克防護(hù)裝甲，可以有效保護(hù)內(nèi)部人員與設(shè)備。

防熱和隔熱
點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)空間可以作為散熱或主動(dòng)致冷通道，在強(qiáng)制對(duì)流下具有優(yōu)良的傳熱性能，可以作為一種承受高密度熱流結(jié)構(gòu)�？紫短畛涓魺崂w維，可起到優(yōu)良隔熱效果。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)已經(jīng)被考慮用于返航太空艙的熱保護(hù)系統(tǒng)。

降噪
由于聲波震動(dòng)受到曲折孔隙壁阻擋，空氣與孔隙壁發(fā)生摩擦造成能量損失。經(jīng)多次反射和折射后，原有入射聲波大部分能量變成熱量散失到環(huán)境中。工程師們已經(jīng)用3D打印制造出了一個(gè)“聲學(xué)隱身裝置”。

醫(yī)療植入物
鈦金屬是一種常見的醫(yī)學(xué)植入材料。但是由于它具有比人體骨骼更高的彈性模量，容易導(dǎo)致植入物和骨頭之間的彈性失配。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的彈性模量會(huì)隨著孔徑的增加而減小，從而可以通過改變體積分?jǐn)?shù)和點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的尺寸分布來解決彈性模量匹配問題，使植入物具有量身定制的機(jī)械性能，與人體的骨骼匹配。此外，3D打印開放氣孔結(jié)構(gòu)便于骨內(nèi)生長(zhǎng)和整個(gè)植入物的結(jié)合。

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的眾多應(yīng)用離不開結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

但是對(duì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能分析時(shí)，由于其內(nèi)部含有大量微結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)建模和響應(yīng)分析的工作量巨大，且材料微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果有顯著影響，傳統(tǒng)有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)不適用。

單胞內(nèi)桿件尺寸相對(duì)較大、數(shù)目較少時(shí)，可以直接應(yīng)用實(shí)體單元進(jìn)行求解；當(dāng)桿件尺寸逐漸減小，數(shù)目增多時(shí)，建議使用梁?jiǎn)卧�進(jìn)行求解；當(dāng)桿件尺寸進(jìn)一步減小、數(shù)目龐大時(shí)，適合用均勻化方法進(jìn)行材料性能等效后求解。

除了有限元仿真，下面幾點(diǎn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值得大家關(guān)注。
I 單胞構(gòu)型選擇
受3D打印工藝約束，單胞構(gòu)型最好不要出現(xiàn)橫向桿件。所以適合3D打印的單胞構(gòu)型主要有體心立方（BCC）和面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)，以及兩者的變形結(jié)構(gòu)。

單胞的最優(yōu)構(gòu)型與宏觀結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)型及載荷條件密切相關(guān)。一般來說，體心立方結(jié)構(gòu)是彎曲主導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是能量吸收能力強(qiáng)，適用于設(shè)計(jì)抗沖擊結(jié)構(gòu)；面心立方結(jié)構(gòu)是拉伸主導(dǎo)結(jié)構(gòu)，剛度和強(qiáng)度性能好，適用于設(shè)計(jì)承力結(jié)構(gòu)。


I 桿件傾斜角
3D打印的工藝特點(diǎn)造成了懸垂的下表面具有較大的孔隙率和粗糙的表面質(zhì)量。

因此點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)桿件的傾斜角不宜過小。傾斜角越小，桿件的性能越不均衡。

以AlSi10Mg點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)為例，90°傾斜角的桿件A和B區(qū)域孔隙率差別不大，而35.5°傾斜角造成了A和B區(qū)域3.61%的孔隙率差異。

I 表面光潔度
表面光潔度對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞性能有重要的影響。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)大量的內(nèi)部表面，對(duì)表面光潔度的處理提出了巨大的挑戰(zhàn)。

目前比較有效的處理方法是化學(xué)侵蝕，可以提高表面光潔度到23.8~25.9μm。

但是，化學(xué)侵蝕的副作用是使得桿件的直徑變小，會(huì)引起點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的相對(duì)密度下降7%左右。

I 結(jié)構(gòu)失效模式
受壓載荷作用下，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的失效模式主要是桿件的失穩(wěn)。結(jié)構(gòu)的應(yīng)力主要集中在節(jié)點(diǎn)附近。

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