3D打印技術(shù)在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制造中的優(yōu)勢

3D打印技術(shù)通過逐層添加材料的方式，能夠制造具有復(fù)雜幾何構(gòu)型的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，充分釋放其輕量化潛力，成為該領(lǐng)域首選制造技術(shù)。其中，選擇性激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）作為成熟工藝，以加工精密零件著稱，其工藝參數(shù)多達(dá)100余個(gè)，典型參數(shù)包括激光功率、掃描速度、掃描方式、層厚及激光軌跡重疊率。

SLM工藝缺陷與性能影響

工藝參數(shù)不匹配會導(dǎo)致顯著熱梯度變化，引發(fā)殘余熱應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)翹曲、裂紋、幾何斷層等缺陷，大幅降低金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的比強(qiáng)度、剛度及能量吸收能力。例如，多孔結(jié)構(gòu)的高比強(qiáng)度特性會因單元細(xì)胞缺陷而衰減。

缺陷檢測與安全評估技術(shù)

金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)因內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、吸聲性強(qiáng)等特性，傳統(tǒng)無損檢測難以穿透內(nèi)部。工業(yè)CT技術(shù)憑借高穿透性和分辨率，成為觀察復(fù)雜晶格內(nèi)部缺陷的核心手段。通過SLM制備樣件并經(jīng)CT掃描，可實(shí)現(xiàn)缺陷智能識別與安全評估，為結(jié)構(gòu)健康使用提供理論保障。

天然與人工細(xì)胞結(jié)構(gòu)材料對比

1. 天然材料啟發(fā)與應(yīng)用

木材、軟木、骨頭等天然細(xì)胞結(jié)構(gòu)材料歷經(jīng)數(shù)世紀(jì)應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)被現(xiàn)代技術(shù)模仿，如人造蜂窩結(jié)構(gòu)和泡沫結(jié)構(gòu)。細(xì)胞結(jié)構(gòu)在輕量化與能量吸收應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢，但需注意其變形行為特性。

2. 人造細(xì)胞結(jié)構(gòu)分類

• 金屬泡沫結(jié)構(gòu)：通過熔融金屬注氣或發(fā)泡劑制造，成本較低但細(xì)胞排列隨機(jī)，導(dǎo)致機(jī)械響應(yīng)不一致，需過度保守設(shè)計(jì)。
• 金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：區(qū)別于泡沫的隨機(jī)性，其單元細(xì)胞具有規(guī)則性與重復(fù)性。Gibson定義其為桿/板網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，Ashby強(qiáng)調(diào)其單元尺度達(dá)毫米/微米級，需作為獨(dú)立材料分析力學(xué)特性。

3. 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)拓?fù)浞诸?/h4>

• 基于桿的結(jié)構(gòu)：如立方體、八元桁架、金剛石結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)簡單但制造與骨固定性能待優(yōu)化。
• 基于三周期最小表面（TPMS）的結(jié)構(gòu)：如Schoen螺旋二十四面體、Schwartz金剛石結(jié)構(gòu)、Neovius結(jié)構(gòu)，在可制造性與骨固定方面具潛在優(yōu)勢，但性能對比仍需深入研究。

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制備技術(shù)演進(jìn)

1. 傳統(tǒng)制備方法局限

• 熔模鑄造：英國劍橋大學(xué)提出，受金屬流動性限制，難以制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)，模具成本高且易產(chǎn)生缺陷。
• 交錯(cuò)纏繞法：2006年Fan等開發(fā)金字塔結(jié)構(gòu)夾層結(jié)構(gòu)，剛度46.0MPa、強(qiáng)度0.77MPa，但波浪形支柱降低性能。
• 擠壓與電火花加工：2007年D.T. Queheillalt采用6061鋁制備金字塔夾層結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)性能與桁架/表面一致。

2. 創(chuàng)新制備技術(shù)

• 編織法：2010年Yan等開發(fā)可控支柱框架的編織方法，制備CFRC夾芯板、殼體等，并設(shè)計(jì)自動編織機(jī)。
• 模型熱壓法：Xiong等采用單向碳纖維-環(huán)氧樹脂預(yù)浸料制備點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，Wang等測試其面外/面內(nèi)壓縮性能，發(fā)現(xiàn)支柱密度增大可提升力學(xué)性能，但連接處為最薄弱環(huán)節(jié)。
• 纖維纏繞法：2016年Li等制備碳纖維增強(qiáng)波紋夾層筒，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、剛度與輕量化，并通過強(qiáng)度-基頻優(yōu)化制備超輕強(qiáng)缸體。

3. 技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展方向

現(xiàn)有方法多限于拓?fù)浜唵谓Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)自由度受限。未來需突破復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造限制，優(yōu)化工藝參數(shù)匹配性，深化基于桿與TPMS結(jié)構(gòu)的性能對比研究，推動點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在航空航天、汽車等領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用。

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