解析，胞元建模四大類型

胞元結(jié)構(gòu)是增材制造的一個(gè)重要的研究領(lǐng)域,，正如3D科學(xué)谷之前的文章《3D打印胞元結(jié)構(gòu)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(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,。接下來(lái)我們一起看一下常見的幾種結(jié)構(gòu),，以及這些結(jié)構(gòu)的應(yīng)用特點(diǎn)。

蜂窩
蜂窩結(jié)構(gòu)是蜂巢的基本結(jié)構(gòu),是由一個(gè)個(gè)正六角形單房,、房口全朝下或朝向一邊,、背對(duì)背對(duì)稱排列組合而成的一種結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)有著優(yōu)秀的幾何力學(xué)性能,，因此在材料學(xué)科具有廣泛應(yīng)用,。

蜜蜂的蜂窩構(gòu)造非常精巧、適用而且節(jié)省材料,。蜂房由無(wú)數(shù)個(gè)大小相同的房孔組成,，房孔都是正六角形，每個(gè)房孔都被其它房孔包圍,，兩個(gè)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(gè)底是由三個(gè)完全相同的菱形組成,。有人測(cè)量過(guò)菱形的角度,，兩個(gè)鈍角都是109°而兩個(gè)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(gè)統(tǒng)一的角度和模式建造的,。

蜂房的結(jié)構(gòu)引起了科學(xué)家們的極大興趣。經(jīng)過(guò)對(duì)蜂房的深入研究,，科學(xué)家們驚奇地發(fā)現(xiàn),，相鄰的房孔共用一堵墻和一個(gè)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(nèi)既不會(huì)有多余的空間又不感到擁擠,。 蜂窩的結(jié)構(gòu)給航天器設(shè)計(jì)師們很大啟示,，他們?cè)谘兄茣r(shí)，采用了蜂窩結(jié)構(gòu)：先用金屬制造成蜂窩,，然后再用兩塊金屬板把它夾起來(lái)就成了蜂窩結(jié)構(gòu),。這種蜂窩結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jī),、人造衛(wèi)星,、宇宙飛船在內(nèi)部大量采用蜂窩結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星的外殼也幾乎全部是蜂窩結(jié)構(gòu),。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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的獲得僅當(dāng)滿足下列條件：（1）每個(gè)球形或多邊形泡孔必須至少有兩個(gè)孔或兩個(gè)破壞面,；（2）大多數(shù)泡孔棱必須為至少3個(gè)結(jié)構(gòu)單元所共有。

與閉孔泡沫相比較,，開孔泡沫對(duì)水和濕氣有更高的吸收能力,，對(duì)氣體和蒸汽有更高的滲透性，對(duì)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(duì)設(shè)計(jì)的影響方面，與蜂窩不同的是,，開孔泡沫的設(shè)計(jì)更適合用于刺激環(huán)境下（應(yīng)力,、流動(dòng)、熱）,，這些是不可預(yù)測(cè)的,。作為吸收能量的“利器”，開孔泡沫適合用于復(fù)雜結(jié)構(gòu),。開孔泡沫材料之間的互聯(lián)互通,，也使得流體流過(guò)該結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),，結(jié)構(gòu)完整,，泡孔之間相互鼓勵(lì)，互不相通,。但在實(shí)際中,，開孔結(jié)構(gòu)和閉孔結(jié)構(gòu)可能同時(shí)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(jié)構(gòu)和閉孔結(jié)構(gòu)所占比率，將閉孔結(jié)構(gòu)達(dá)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(jié)構(gòu)對(duì)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(xué)強(qiáng)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(dǎo)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的材料特點(diǎn)是重量輕,、高強(qiáng)度比和高特定剛性。并且?guī)��?lái)各種熱力學(xué)特征,，晶格結(jié)構(gòu)的超輕型結(jié)構(gòu)適合用在抗沖擊/爆炸系統(tǒng),、或者充當(dāng)散熱介質(zhì)、聲振,、微波吸收結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中,。

波音公司就將晶格結(jié)構(gòu)的超輕3D打印材料用于飛機(jī)墻面和地板等非機(jī)械部件。這使得飛機(jī)重量大大減輕,，提高飛機(jī)的燃油效率,。感謝晶格結(jié)構(gòu)的獨(dú)特特性以及低體積容量,，晶格結(jié)構(gòu)與功能部件的設(shè)計(jì)結(jié)合已被證明是增材制造發(fā)揮潛力的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域。

Thales Alenia Space還打印了含晶格的金屬結(jié)構(gòu)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(lái)源：3D科學(xué)谷
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