香港科技大學(xué)增材制造頂刊：增材制造各向異性金屬晶格結(jié)構(gòu)

來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：本工作提出了一種可變厚度的三周期最小表面（TPMS）殼晶格的設(shè)計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)均質(zhì)各向異性構(gòu)成材料的彈性各向異性,。并開(kāi)發(fā)了一種基于梯度的優(yōu)化方法，該方法采用通用各向異性指數(shù)作為目標(biāo),，可以處理任何正交各向異性晶格,，擴(kuò)展了廣泛使用的基于齊納各向異性比率的方法，但只適用于立方晶格,。為了驗(yàn)證所提出的設(shè)計(jì)方法,，通過(guò)拉伸試驗(yàn)對(duì)微激光粉末床熔融（μLPBF）制造的不銹鋼316L（SS316L）的橫向各向同性彈性模型進(jìn)行了校準(zhǔn)，然后將其納入優(yōu)化方法,，以設(shè)計(jì)彈性各向同性的可變厚度N14,、IWP和P殼晶格。

增材制造（AM）制造的金屬晶格結(jié)構(gòu)在輕質(zhì)應(yīng)用中提供了越來(lái)越多的多功能機(jī)會(huì),，因?yàn)榻饘俨牧系母邫C(jī)械性能和晶格結(jié)構(gòu)的可調(diào)性能相結(jié)合,。為了滿(mǎn)足最大或目標(biāo)性能等結(jié)構(gòu)要求，許多研究工作致力于晶格結(jié)構(gòu)的晶胞幾何形狀的設(shè)計(jì)以及具有出色機(jī)械性能的材料,。迄今為止,，已經(jīng)從設(shè)計(jì)的角度實(shí)現(xiàn)了廣泛的工程力學(xué)性能。然而,，大多數(shù)設(shè)計(jì)研究考慮了晶格結(jié)構(gòu)的各向同性本構(gòu)材料,，這導(dǎo)致與AM制造的金屬材料的性質(zhì)存在差距，這些材料通常是各向異性的,，正如許多實(shí)驗(yàn)研究所報(bào)道的那樣,。彌合晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和AM制造之間的差距將有助于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能，并最大限度地減少設(shè)計(jì)特性和印刷特性之間的差異,。

工藝引起的各向異性是AM制造的金屬和合金的各向異性的主要來(lái)源之一,。逐層的材料沉積過(guò)程和熱處理導(dǎo)致了各向異性紋理柱狀晶粒微結(jié)構(gòu)的形成，并最終導(dǎo)致了材料的各向異性楊氏模量,、強(qiáng)度和延展性的不理想,。關(guān)于金屬AM工藝和材料的實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)報(bào)告了沿構(gòu)建方向的機(jī)械性能與構(gòu)建平面內(nèi)的機(jī)械性能不同。一般來(lái)說(shuō),，由于LPBF工藝中快速凝固的性質(zhì),，通過(guò)操縱工藝配置或后熱處理來(lái)緩解紋理引起的各向異性的能力非常有限。因此,，將材料各向異性納入AM晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法中是很有必要的,。

因?yàn)楦飨蛲�性等效彈性的晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常適用于加載方向未知或變化的應(yīng)用所以受到了極大的關(guān)注，但由于復(fù)雜的設(shè)計(jì)模型和有限的設(shè)計(jì)空間,，在設(shè)計(jì)彈性各向同性網(wǎng)格時(shí)考慮各向異性構(gòu)成材料的研究很少,。這項(xiàng)工作的目的是通過(guò)納入各向異性和同質(zhì)彈性的構(gòu)成材料來(lái)擴(kuò)展目前在彈性各向異性晶格上的設(shè)計(jì)方法，這與金屬AM工藝非常吻合,。

挑戰(zhàn)之一是各向異性的材料降低了所產(chǎn)生的格子的彈性對(duì)稱(chēng)性,，使得Zenner各向異性的測(cè)量方法不適合,。為了解決這個(gè)問(wèn)題，應(yīng)該開(kāi)發(fā)基于更大的設(shè)計(jì)空間和通用各向異性指數(shù)的敏感性分析的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法,，以實(shí)現(xiàn)各向異性材料的格子的彈性各向異性,。

在此，香港中文大學(xué)宋旭教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合香港科技大學(xué)王煜教授團(tuán)隊(duì)提出了一種可變厚度的TPMS殼格設(shè)計(jì)方法,，該殼格由各向異性的構(gòu)成材料制成,。首先，通過(guò)拉伸試驗(yàn)對(duì)SS316L的彈性模型進(jìn)行標(biāo)定,。其次,，為了設(shè)計(jì)彈性各向同性晶格，他們提出了一種基于梯度的優(yōu)化方法,，其中采用通用各向異性指數(shù)作為目標(biāo)函數(shù),，分析得出與殼體厚度有關(guān)的敏感性，并根據(jù)優(yōu)化的各向同性晶格指定印刷方向,。此外,，通過(guò)有限元（FE）模擬研究了各向異性材料對(duì)不同類(lèi)型的相對(duì)密度的格子的彈性性能的影響，并與各向同性材料制成的格子進(jìn)行了比較,。

相關(guān)研究成果以題“Design of elastically isotropic shell lattices from anisotropic constitutive materials for additive manufacturing”發(fā)表在Additive Manufacturing上

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103185

摘要圖

圖1.（a）N14,、（b）IWP和（c）P表面的單元格（頂部）和網(wǎng)格化1/8單元格設(shè)計(jì)域（底部）。

圖2.用于校準(zhǔn)μLPBF制造的SS316L的橫向各向同性彈性模型的測(cè)試方法,。

圖3.SS316L的校準(zhǔn)結(jié)果：（a）沿三個(gè)測(cè)試方向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn),，以及（b）楊氏模量與構(gòu)建角φ的關(guān)系。

圖4.（a）標(biāo)有格子方向的印刷方向和（b）用于壓縮測(cè)試的印刷格子試樣,。

圖5.彈性各向同性殼格的優(yōu)化結(jié)果：（a）N14（ρ=10.55%）,，（b）IWP（ρ=15%）和（c）P（ρ=15%）殼格的厚度分布（左邊），1/8單元（中間）和單元格（右邊）,。沿著x-y平面和z方向的不同厚度的相應(yīng)殼用圓圈突出顯示,。

圖6.各向同性（iso）和橫向各向同性（aniso）構(gòu)成材料制成的均勻和可變厚度殼格的楊氏模量比較。（a, d, g, j） ρ=10.55%的N14格子,，（b, e, h, k）)ρ=15%的IWP格子,，以及（c, f, i, l）ρ=15%的P格子。（a-c）顯示了晶格沿[100]-[101]-[001]方向的相對(duì)楊氏模量的反極圖（d-l）,。

圖7.（a）可變厚度的N14殼格的頂面和（b）側(cè)面的SEM圖像,。底行是按設(shè)計(jì)的模型和放大的SEM視圖的比較。

圖8.頂面,、側(cè)面和底面的表面形態(tài)和粗糙度,。

圖9.均勻厚度N14殼格（"Uniform"）、基于各向同性構(gòu)成材料的可變厚度設(shè)計(jì)（"Variable （iso）"）和基于橫向各向同性構(gòu)成材料的擬議可變厚度設(shè)計(jì)（"Variable （aniso）"）沿九個(gè)方向的測(cè)試楊氏模量比較：（a）相對(duì)楊氏模量E/（ρEx），以及（b）標(biāo)準(zhǔn)化楊氏模量E/Emax,。

總而言之,，這項(xiàng)工作提出了一種可變厚度的TPMS殼體格子的設(shè)計(jì)方法，以便從均勻的各向異性構(gòu)成材料中實(shí)現(xiàn)彈性各向異性,。在通用各向異性指數(shù)的基礎(chǔ)上,，開(kāi)發(fā)了一種基于梯度的優(yōu)化方法。該方法可以實(shí)現(xiàn)各種類(lèi)型的TPMS晶格的彈性各向異性,。通過(guò)設(shè)計(jì)彈性各向同性的N14,、IWP和P殼晶格，用數(shù)值證明了所提方法的有效性,。