3D打印胞元結(jié)構(gòu)建模的六大挑戰(zhàn)

3D打印的一大優(yōu)勢(shì)是靈活性以及打印成本對(duì)產(chǎn)品的復(fù)雜性不敏感，這也是復(fù)雜的胞元結(jié)構(gòu)成為3D打印領(lǐng)域的一大熱門(mén)研究方向的主要原因。之前南極熊報(bào)道過(guò)對(duì)3d打印部件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，而且我們都知道使用切片軟件進(jìn)行切片時(shí)可以選擇蜂窩狀填充。就像建筑用的空心磚，胞元的應(yīng)用減少了材料的使用，有效幫助實(shí)現(xiàn)輕量化，而與此同時(shí)，如何保證仍然滿足力學(xué)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。

力學(xué)的事兒，結(jié)構(gòu)大作為

1 連續(xù)建模
當(dāng)你把材料均勻的分散在每個(gè)結(jié)構(gòu)點(diǎn)上，你可能會(huì)覺(jué)得這些點(diǎn)陣上的材料特性也是一樣的。然而，忽略那些蜂窩結(jié)構(gòu)中的連接支柱/節(jié)點(diǎn)部分的研究將帶來(lái)錯(cuò)誤的建�；蛘呤谴蛴∵^(guò)程。那些各向異性是在建模過(guò)程中就需要考慮的因素，而諸如表面粗糙度、局部結(jié)構(gòu)或尺寸公差這些問(wèn)題在小于1毫米厚的連接部位變得尤為突出，與此同時(shí)對(duì)加工工藝的了解變得尤為重要，通常情況下相同的幾何形狀，在不同的工藝條件下產(chǎn)生明顯不同的結(jié)果。

圖：蜂窩結(jié)構(gòu)壓縮下彈性應(yīng)變不均勻的地方

2 大小的影響
尺寸效應(yīng)是顯著的，包括尺寸函數(shù)變化都是門(mén)高深的學(xué)問(wèn)。 如何在蜂窩結(jié)構(gòu)材料中實(shí)現(xiàn)精確、均勻和各向同性材料，不僅僅是個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題。以彈性模量為例，這個(gè)屬性的提取強(qiáng)烈地依賴于參與實(shí)驗(yàn)表征過(guò)程中的胞元數(shù)量�？紤]到實(shí)驗(yàn)工作的進(jìn)行，改變多軸向和縱向胞元的分布，下圖的測(cè)試樣品由六邊形蜂窩組成。研究這些胞元的大小如何影響產(chǎn)品的性能，這是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)，或者說(shuō)這本身就可以成為一門(mén)學(xué)科，由此還延伸出另外一個(gè)問(wèn)題，表征胞元特性的正確樣本設(shè)計(jì)是什么？

圖：壓力顯示結(jié)構(gòu)與胞元數(shù)有很強(qiáng)的相關(guān)性

3 接觸效應(yīng)
在壓力試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)件頂部和底部的力學(xué)分布與位于結(jié)構(gòu)件中間的可能是大不相同的，通過(guò)調(diào)整胞元的設(shè)計(jì)可以達(dá)到更好的力學(xué)壓力分配。

圖：壓力分配情況

4 宏觀結(jié)構(gòu)的影響
不僅僅微觀分布對(duì)宏觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能帶來(lái)影響，另一方面，宏觀結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)帶來(lái)影響，包括非常高的縱橫比，在宏觀變形包括宏觀層面上引起的彎曲通常帶來(lái)胞元的力學(xué)性能的變化。

5 尺寸公差的影響
雖然所有的制造過(guò)程中都允許一定程度的尺寸公差，但是這些尺寸誤差用在含胞元結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品上可能帶來(lái)非常顯著的作用。在這里，3D科學(xué)谷拿一個(gè)典型的工業(yè)3D打印過(guò)程來(lái)說(shuō)，公差在75微米（0.003″）的蜂窩結(jié)構(gòu)（特別是微格）往往帶來(lái)250-750微米的厚度公差。這些被“放大”的錯(cuò)誤使得設(shè)計(jì)和制造都面臨著雙重的挑戰(zhàn)，而且還需要通過(guò)滲透到內(nèi)部的測(cè)量手段，包括X射線掃描。不僅僅是昂貴的檢測(cè)方法，除了對(duì)建模的高要求，針對(duì)增材制造的高效仿真分析軟件變得尤為重要。

圖：0.004″的尺寸公差帶來(lái)7%的厚度錯(cuò)誤

6 細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響
增材制造的分層打印特性引入了一系列的挑戰(zhàn)，拿激光粉末床融化過(guò)程舉例，懸垂面與水平面的角度往往帶來(lái)不同程度的表面情況，體現(xiàn)在蜂窩結(jié)構(gòu)中，可能導(dǎo)致在不同的打印方向上的不同厚度結(jié)果。

圖：打印方向影響的打印結(jié)果

來(lái)源：3D科學(xué)谷
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