利用SLA增材技術(shù)和V2耐用樹脂開發(fā)3D結(jié)構(gòu)

近日，南極熊注意到最近在《Materials》雜志上發(fā)表的一篇論文，概述了一些創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)研究，主要關(guān)于利用SLA增材技術(shù)和V2耐用樹脂(DurableResin V2)開發(fā)3D結(jié)構(gòu)。

(圖片來源：AZOM)

該論文主旨是，通過準(zhǔn)靜態(tài)軸向壓縮試驗(yàn)，比較和評(píng)估一系列具有不同特性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括結(jié)構(gòu)的壓縮曲線、變形過程和能量吸收參數(shù)。

通過增材制造產(chǎn)生的微晶格結(jié)構(gòu)，提供了獨(dú)特的物理性能組合，比如重量輕，以及高水平的抗沖擊性、抗壓強(qiáng)度和能量吸收。通過改變形狀，也可以更改和優(yōu)化這些結(jié)構(gòu)的屬性，使其適應(yīng)一系列應(yīng)用和設(shè)置。

文中引用了一些研究。這些研究評(píng)估了，在利用3D增量式光固化快速成型(stereolithography，SLA)方法打印的晶格結(jié)構(gòu)中，相關(guān)變化對(duì)相對(duì)密度造成的影響。

在AutodeskNetfabb 2021中設(shè)計(jì)的晶格結(jié)構(gòu)，具有以下拓?fù)洌?a)Grid；( b ) Hexagon；© Star；(d) Tetra；(e)Trabecular，連同擴(kuò)大的梁狀形狀。(圖片來源：AZOM)

結(jié)果表明，相對(duì)密度分布均勻的一致結(jié)構(gòu)，在所有打印形狀中具有最高的初始剛度。但是，相對(duì)密度不同的漸變?cè)O(shè)計(jì)，將顯著提高要承受高壓應(yīng)力晶格的剛度和吸能能力。

為了確定各種應(yīng)用中最有益的設(shè)計(jì)，并確保這些結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)大的機(jī)械性能，需要進(jìn)行持續(xù)的研究和分析。

為了推進(jìn)這一領(lǐng)域的工作，文中對(duì)通過光固化快速成型(SLA)和V2耐用樹脂打印的五種梁狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了評(píng)估。每種結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)出規(guī)則單元型拓?fù)�，這些單元周期性地相互連接和重復(fù)，既保持了相對(duì)基本的設(shè)計(jì)，同時(shí)盡可能靈活提供不同的拓?fù)涮匦浴?/div>

這些結(jié)構(gòu)本身是使用Autodesk Netfabb 2021軟件生成的。這些不同類型的3D打印結(jié)構(gòu)，分別被描述為網(wǎng)格(Grid)、六邊形(Hexagon)、星形(Star)、四向(Tetra)和小梁(Trabecular)。每個(gè)結(jié)構(gòu)都由具有相同公稱直徑的圓形截面的互連梁組成。在樣品的頂部和底部分別打印兩個(gè)平面面板。每個(gè)結(jié)構(gòu)測試5個(gè)樣本，總共探討25個(gè)樣本。

在結(jié)構(gòu)生成后，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)軸向壓縮試驗(yàn)，并通過試驗(yàn)中記錄的壓縮曲線，闡明其基本材料和吸能性能，并且比較梁的變形過程。

研究發(fā)現(xiàn)，在很大程度上，單個(gè)結(jié)構(gòu)的打印質(zhì)量取決于其特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，及其在打印機(jī)工作空間中的方向。例如，使用小梁結(jié)構(gòu)時(shí)，打印錯(cuò)誤率最高；而使用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)時(shí)，打印錯(cuò)誤率最低。同時(shí)，星形和四向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的打印質(zhì)量問題不那么多。

研究還發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格和星形拓?fù)滹@示出最牢固的初始局部極限力，以及線性范圍內(nèi)的最高剛度。

也許最值得一提的是，研究表明，當(dāng)使用含有與載荷軸對(duì)齊的梁的結(jié)構(gòu)時(shí)，有必要施加更高的載荷，以將其縮短。一旦梁屈曲并失去穩(wěn)定性，就可以觀察到力的明顯下降。據(jù)發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格拓?fù)溆绕淙绱�，表現(xiàn)出最高的最大作用力和陡峭的縮減量。

由于所研究的六邊形和四向拓?fù)洳话�括面向載荷軸的粱，從壓縮曲線的線性部分的過渡，可以看出其非常光滑，這可能是由于彎曲能力。

通過分析不同結(jié)構(gòu)的能量吸收參數(shù)，可以看出星形和六邊形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的抗壓性能最好，小梁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的抗壓性能同樣較好。相反，四向拓?fù)湓谶@方面表現(xiàn)得最差。

據(jù)發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對(duì)壓碎力具有很強(qiáng)的抵抗力，這主要是受益于其初始極限力。

這項(xiàng)工作加深了對(duì)晶格結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用的研究。這些材料具有巨大的技術(shù)潛力，尤其是在航空、汽車、航空航天等行業(yè)。在這些行業(yè)中，必須在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和組件重量之間取得精準(zhǔn)的平衡，只有利用增材制造工藝才能提高相關(guān)潛力。

隨著現(xiàn)代工業(yè)持續(xù)和快速發(fā)展，需要探索通過非傳統(tǒng)技術(shù)解決一系列結(jié)構(gòu)性挑戰(zhàn)，必須以盡可能低的重量實(shí)現(xiàn)最耐用和剛性的機(jī)械結(jié)構(gòu)。這將推動(dòng)相關(guān)的持續(xù)性研究，即使用增材制造方法來制造材料和復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)。