中科院力學所3D打印點陣結(jié)構(gòu)研究取得進展

來源：中科院

輕質(zhì)點陣結(jié)構(gòu)在承載、吸能、隔熱、隔震等領域有廣泛的應用前景，傳統(tǒng)的制備方法如沖壓成型、熔模鑄造等對點陣結(jié)構(gòu)的材料選擇、桿件尺寸和構(gòu)型選擇有要求，制約了其進一步的工程應用。近年來，隨著3D打印技術的快速發(fā)展，這一高效、靈活的技術開始被越來越多的應用于點陣結(jié)構(gòu)的制備。然而，目前廣泛采用的一體化打印的點陣結(jié)構(gòu)存在各向異性和支撐材料去除的問題，前者使3D打印點陣結(jié)構(gòu)的力學性能遠小于理論值，后者則增加了后處理的時間與成本。

近日，中國科學院力學研究所熱結(jié)構(gòu)耦合力學課題組首次將嵌鎖組裝方法引入3D打印技術中來制備點陣結(jié)構(gòu)，即通過將三維點陣結(jié)構(gòu)“降維”，轉(zhuǎn)化為二維桿件結(jié)構(gòu)打印，再采用嵌鎖組裝方法將二維桿件拼裝成三維的點陣結(jié)構(gòu)。研究人員采用該方法，針對熔融沉積成型(FDM)這一3D打印技術，制備了BCC構(gòu)型點陣結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了桿件結(jié)構(gòu)中纖維的最優(yōu)分布，相比于一體化打印的點陣結(jié)構(gòu)強度提升了37%-65%。

圖1.兩種FDM點陣結(jié)構(gòu)制備方法對比(a)一體化3D打印；(b)打印+嵌鎖組裝

進一步將該方法拓展到聚合物噴射成型（PolyJet）技術中，制備了BCC、BCC-Z、FCC、Octet四類典型的點陣結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了不同構(gòu)型的PolyJet點陣結(jié)構(gòu)中桿件的最佳打印方向（X-Y平面）。

（a）嵌鎖組裝與一體化打印點陣結(jié)構(gòu)中桿件打印方向比較，嵌鎖組裝實現(xiàn)了所有桿件打印方向的力學性能最優(yōu)（綠色），一體化打印有部分桿件的力學性能較差是（黃色和紅色）

圖2.PolyJet制備四類典型的3D點陣結(jié)構(gòu)（b）嵌鎖組裝制備的PolyJet點陣結(jié)構(gòu)多胞與單胞試樣

該方法解決了3D打印點陣結(jié)構(gòu)中存在的各向異性問題，實現(xiàn)了點陣結(jié)構(gòu)力學性能的提升，壓縮強度提升均在100%以上，比吸能提升了72%~186%。由于打印過程無需支撐材料的輔助，打印時間和打印耗材均降低了80%以上。

圖3.嵌鎖組裝制備的PolyJet點陣結(jié)構(gòu)提升了力學性能、節(jié)約了制備成本。圖為兩種制備方法比較（a）壓縮強度；（b）比吸能；（c）打印耗材；（d）打印時間

研究人員建立了四類點陣構(gòu)型面外壓縮力學性能的理論模型，試驗結(jié)果表明，嵌鎖組裝點陣結(jié)構(gòu)的壓縮強度與理論壓縮強度接近。該研究工作為高效制備力學性能優(yōu)異的大尺寸3D打印點陣結(jié)構(gòu)提供了可能。

圖4.BCC-Z點陣結(jié)構(gòu)理論模型與實驗值比較

相關研究工作分別以Improving mechanical performance of fused deposition modeling lattice structures by a snap-fitting method和Maximizing mechanical properties and minimizing support material of PolyJet fabricated 3D lattice structures為題，發(fā)表在Materials and Design (2019)和Additive Manufacturing (2020)上， 第一作者為力學所2017級碩士生劉文峰，通訊作者為研究員宋宏偉。研究工作得到國家自然科學基金等項目的支持。