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3D打印点阵结构的特殊属性及应用场景

随着3D打印运动鞋的普及,晶格结构开始走入人们的视野,它不仅能够实现轻量化,还能起到缓震防护、吸振降噪的作用。可以说这种结构是专为增材制造而生,同时它也给工程师提供了更加广阔的探索空间。

点阵结构在多领域广泛应用


除了3D打印运动鞋,点阵结构也可广泛应用于其他领域,不仅包括火箭、潜艇,还包括高铁、飞机。本期3D打印技术参考将从点阵结构性能的角度介绍其应用,并带来该结构的设计考虑因素。

点阵结构的性能及适用领域

优良的强度—重量比

提高部件强度—重量比的方式主要有两种:在传统制造中可以通过减少非关键区域的材料来减轻重量;在增材制造中,甚至可以将关键区域的材料网格化,虽然整体的强度会有所降低,但不失为一种提高强度重量比的好方法。 

3D打印点阵结构F1赛车汽缸盖

此外,点阵结构具有高度的空间对称性,可以将外部载荷均匀分解,在实现减重的同时保证承载能力。该结构在航空航天、医疗、汽车、船舶制造等需要高强度—重量比的行业具有重要用途。

超大的比表面积

点阵结构不仅重量轻,而且具有超大的比表面积,这对于促进热交换和化学反应具有很大优势。

传统散热器的散热片多是各自分开的,通过钎焊组成一个整体,不同部件之间的结合增加了热阻,从而降低了热效率。3D打印除了实现结构的一体化制造外,独特的晶格结构显著增加了表面积,从而能够以更经济的方式实现更高的换热效率。事实上,这种效率增益可以在许多不同类型的热交换器应用中实现,这些具有大表面积的小特征结构在没有3D打印的情况下几乎是无法制造的。

雷尼绍3D打印的铝合金点阵结构赛车涡轮中冷器

目前,从汽车、航空航天、能源到电子行业等都在尝试使用点阵结构提高热交换效率,所使用的3D打印工艺从激光粉末床熔融到电子束熔化都可实现。

 

▌出色的减震和冲击保护

Carbon 3D打印的点阵结构橄榄球头盔内衬

点阵结构还可以通过更好地吸收冲击能量起到防护功能,基于此可以制造防护体育器材,也可以在在电子元件周围或内部使用晶格来保护免受外部动态环境的影响。

 

▌理想的吸振和降噪功能

 

飞机、火箭在推进过程中产生的振动会使飞行器发送颠簸,也会增加对部件的磨损;高铁在运行时车体外的湍流边界层也会产生强烈的随机声学激励和振动,同时有巨大的气流冲击车身;此外,解决潜艇的结构振动和确保低躁隐蔽性,也是力学和声学领域具有重大意义的课题之一。

3D打印的点阵结构可吸收振动又可承重

在主体结构中设置阻尼器的传统被动控制,必然会增加主体结构的重量,而点阵结构作为一种典型的周期结构,通过对具有频率禁带的点阵进行周期型设计,以调节其频率禁带的宽度、深度和频段位置,可以实现对结构的振动和噪声的有效控制,同时还能减少附加质量以及外界能源的供给。

 

点阵结构的设计规则

 

点阵胞元结构的形式众多,它们是点阵中的基本单元,常见的胞元结构有立方体、星形、八角形、六边形、菱形和四面体等。这些结构可以通过设计软件在结构体中实现阵列组合,其设计规则主要包括以下几方面:

 

▌胞元结构的大小和密度

 

胞元结构的大小和密度是指单个胞元的大小以及在一个空间内胞元的数量。胞元本身的大小取决于其节点和连接节点的梁宽度和长度。较大的胞元更容易打印,同时强度也更高;较小的胞元相对更均匀,但会受到打印工艺特征尺寸的限制。

单个产品不同位置上设置不同的胞元密度

材料选择

制造材料决定了点阵的特性和应用。弹性或软质材料点阵结构的胞元需要更小更密集,以防止打印过程中的塌陷;刚性材料胞元结构具有更大的设计范围,尺寸可以比较大、数量也可以更少,但仍需要注意梁的走向,同样是为了防止打印失败。目前,我们已经可以接受点阵结构既可以是树脂形式,也可以是金属形式。

胞元结构方向

通常情况下,点阵结构会默认为不需要支撑,这一方面需要注意设计过程中的设计极限,如横梁宽度、梁的倾斜角度等等;另一方面也需要注意摆放角度,选择最理想的零件自身支撑摆放方向,尽可能降低加工成本并减少后期处理工作。

结尾

多孔和周期点阵结构具有轻质、隔声和减振等优越性能,在航空航天、高速列车、汽车、船舶、潜艇等领域具有十分广阔的应用前景。但点阵结构的建模和验证仍存在不少挑战,在3D打印工艺本身比较成熟的情况下,如何验证设计的可靠性,如何避免因制造过程产生的其他问题是接下来需要考虑的问题。在此方面,模拟仿真可能可以发挥重要作用。

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