點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)與分享

來源：增材制造創(chuàng)新設(shè)計

點(diǎn)陣,，一種周期性多孔結(jié)構(gòu),，可以認(rèn)為是大量相同的點(diǎn)陣單元通過某種形式周期性地組合而構(gòu)成,。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的性能具有很高的設(shè)計靈活性,。通過調(diào)整點(diǎn)陣的相對密度,、單胞的構(gòu)型,、連桿的尺寸,，達(dá)到結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度,、韌性,、耐久性、靜力學(xué)性能,、動力學(xué)性能的完美平衡,。

輕質(zhì)、高強(qiáng)
點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)比強(qiáng)度和比剛度高,，在低密度結(jié)構(gòu)中有較大的力學(xué)性能優(yōu)勢,。與傳統(tǒng)的固體材料相比，金屬點(diǎn)陣材料的密度大大降低,，具有相同性能的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以減重達(dá)70%以上,。與金屬泡沫材料相比，金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)性能上可控制,，強(qiáng)度和模量比金屬泡沫材料高出一個量級,，承載效率更高,。

吸能
點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)具有非常理想的抗爆炸、抗沖擊性能,。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下一般會發(fā)生動態(tài)失穩(wěn),，結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生大的塑性/彈性變形，進(jìn)而吸收大部分沖擊能量,。這種超彈性使其兼?zhèn)錁O高的能量吸收能力,，可以用作抗沖擊結(jié)構(gòu)。比如做成坦克防護(hù)裝甲,，可以有效保護(hù)內(nèi)部人員與設(shè)備,。

防熱和隔熱
點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)空間可以作為散熱或主動致冷通道，在強(qiáng)制對流下具有優(yōu)良的傳熱性能,，可以作為一種承受高密度熱流結(jié)構(gòu),。孔隙填充隔熱纖維,，可起到優(yōu)良隔熱效果,。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)已經(jīng)被考慮用于返航太空艙的熱保護(hù)系統(tǒng)。

降噪
由于聲波震動受到曲折孔隙壁阻擋,，空氣與孔隙壁發(fā)生摩擦造成能量損失,。經(jīng)多次反射和折射后，原有入射聲波大部分能量變成熱量散失到環(huán)境中,。工程師們已經(jīng)用3D打印制造出了一個“聲學(xué)隱身裝置”,。

醫(yī)療植入物
鈦金屬是一種常見的醫(yī)學(xué)植入材料。但是由于它具有比人體骨骼更高的彈性模量,，容易導(dǎo)致植入物和骨頭之間的彈性失配,。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的彈性模量會隨著孔徑的增加而減小，從而可以通過改變體積分?jǐn)?shù)和點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的尺寸分布來解決彈性模量匹配問題,，使植入物具有量身定制的機(jī)械性能,，與人體的骨骼匹配。此外,，3D打印開放氣孔結(jié)構(gòu)便于骨內(nèi)生長和整個植入物的結(jié)合,。

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的眾多應(yīng)用離不開結(jié)構(gòu)設(shè)計。

但是對點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能分析時,，由于其內(nèi)部含有大量微結(jié)構(gòu),，結(jié)構(gòu)建模和響應(yīng)分析的工作量巨大，且材料微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸對結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計結(jié)果有顯著影響,，傳統(tǒng)有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)不適用,。

單胞內(nèi)桿件尺寸相對較大、數(shù)目較少時,，可以直接應(yīng)用實(shí)體單元進(jìn)行求解,；當(dāng)桿件尺寸逐漸減小,，數(shù)目增多時，建議使用梁單元進(jìn)行求解,；當(dāng)桿件尺寸進(jìn)一步減小,、數(shù)目龐大時，適合用均勻化方法進(jìn)行材料性能等效后求解,。

除了有限元仿真，下面幾點(diǎn)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)值得大家關(guān)注,。

▌單胞構(gòu)型選擇
受3D打印工藝約束,，單胞構(gòu)型最好不要出現(xiàn)橫向桿件。所以適合3D打印的單胞構(gòu)型主要有體心立方（BCC）和面心立方（FCC）結(jié)構(gòu),，以及兩者的變形結(jié)構(gòu),。

單胞的最優(yōu)構(gòu)型與宏觀結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)型及載荷條件密切相關(guān)。一般來說,，體心立方結(jié)構(gòu)是彎曲主導(dǎo)結(jié)構(gòu),，其特點(diǎn)是能量吸收能力強(qiáng)，適用于設(shè)計抗沖擊結(jié)構(gòu),；面心立方結(jié)構(gòu)是拉伸主導(dǎo)結(jié)構(gòu),，剛度和強(qiáng)度性能好，適用于設(shè)計承力結(jié)構(gòu),。

▌桿件傾斜角
3D打印的工藝特點(diǎn)造成了懸垂的下表面具有較大的孔隙率和粗糙的表面質(zhì)量,。

因此點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)桿件的傾斜角不宜過小。傾斜角越小,，桿件的性能越不均衡,。

以AlSi10Mg點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)為例，90°傾斜角的桿件A和B區(qū)域孔隙率差別不大,，而35.5°傾斜角造成了A和B區(qū)域3.61%的孔隙率差異,。

▌表面光潔度
表面光潔度對結(jié)構(gòu)的疲勞性能有重要的影響。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)大量的內(nèi)部表面,，對表面光潔度的處理提出了巨大的挑戰(zhàn),。

目前比較有效的處理方法是化學(xué)侵蝕，可以提高表面光潔度到23.8~25.9μm,。

但是,，化學(xué)侵蝕的副作用是使得桿件的直徑變小，會引起點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的相對密度下降7%左右,。

▌結(jié)構(gòu)失效模式
受壓載荷作用下,，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的失效模式主要是桿件的失穩(wěn)。結(jié)構(gòu)的應(yīng)力主要集中在節(jié)點(diǎn)附近,。