3D打印金属蜂窝晶格的价值

爱尔兰利默里克大学（University of Limerick）的研究人员评估了金属3D打印蜂窝晶格在以不同速率施加压力时的机械性能。

由于蜂窝结构具有令人印象深刻的机械特性，因此越来越多地应用于各行各业的工程领域。其中包括航空航天和生物医学领域。

在据说是首次进行的同类研究中，使用激光粉末床熔融（LPBF）和材料挤压（ME）方法，用316L不锈钢对这些结构进行了3D打印，然后进行了实验，以确定不同的负载率对金属晶格的影响，尤其是对使用ME生产的金属晶格的影响。

承受压缩载荷的蜂窝示意图

数字图像相关（DIC）是一种专门的成像方法，用于观察和分析当以不同速度施加横向压力时，这些结构是如何失效的。此外，还采用了统计模型和数学公式来预测这种行为。

通过这项测试，研究报告的作者Solomon Obadimu博士和副教授Kyriakos Kourousis希望“弥合”对材料挤压金属3D打印的理解上的“现有差距”。具体来说，他们试图确定ME是否可用于生产可靠的金属结构，以及它们的机械性能是否与使用LPBF生产的金属结构不同。

研究人员声称，他们的研究成果发表在《工程结构》杂志上，“仅有助于推动增材制造技术的发展，而且对不断发展的工程行业的工程应用具有重要意义。”

负载率对金属三维打印蜂窝的影响

金属增材制造技术正在被越来越多的工业应用所采用，并引起了学术研究人员越来越多的关注。据Obadimu和Kourousis称，这种关注主要集中在LPBF技术上。因此，对其他方法（如ME）的了解还存在差距，据说 ME可以提供一种经济实惠的方法来替代基于激光的方法。

利默里克大学的研究人员试图通过评估准静态负载率对ME-3D打印金属蜂窝晶格的影响来弥补这一差距。在实际应用中，这些结构通常会承受巨大的压缩压力。

在之前的研究中，利默里克大学的研究人员强调了蜂窝的关键特征，如蜂窝壁厚度、蜂窝大小和相对密度，与其压缩行为相关，这包括利用经验模型和方程式预测它们在压力下的性能。

在这些研究成果的基础上，研究人员利用材料挤压3D打印技术生产出了蜂窝尺寸从6-7mm不等的金属蜂窝结构。研究人员还使用LPBF 3D打印出了单个尺寸为2.45mm的蜂窝，并将其与使用ME制作的部件进行了比较。

然后以0.5mm/min和600mm/min的速度对3D打印蜂窝的侧面施加压缩载荷。在测试过程中，使用DIC观察和分析了晶格的破坏模式。

研究人员强调了此次测试的一些重要发现。首先，ME和LPBF-3D打印蜂窝都受到压缩速度的影响。单位体积吸收的能量、屈服应力和压缩应力的增加与加载速度的增加直接相关。然而，结构的弹性模量和致密化应变并没有随着不同的压缩速度而改变。

对于使用ME 3D打印的蜂窝，研究人员还发现，密度和硬度较高的较小蜂窝（6mm）在压缩时比较大的蜂窝（6.5mm和7mm）表现出更大的强度。研究还发现，压缩过程中温度升高会导致热软化。

此外，DIC图像显示，蜂窝的变形方式取决于压缩速度。研究人员观察到三种特殊的变形模式。其中包括垂直的“I”形、“X”形带和对角剪切型变形。

最后，研究发现，相同形状和尺寸的蜂窝对负载率的敏感性可能会有所不同。Obadimu和Kourousis还得出结论，结构的压缩行为受到3D打印工艺的影响。例如，用挤压材料制作的蜂窝在压缩时表现出更大的差异性。

在实验分析之后，研究人员还利用现有的经验模型验证了他们的发现，这些模型在很大程度上反映了实验结果。研究报告的作者还提出了一个新模型，该模型考虑了压缩加载过程中准静态加载状态下的应变率效应。实际上，新模型可以让研究人员更好地预测结构在压力下以非常缓慢的速度压缩时的反应。

作者：Alex Tyrer-Jones

来源：荣格-《国际金属加工商情》

原创声明：
本站所有原创内容未经允许，禁止任何网站、微信公众号等平台等机构转载、摘抄，否则荣格工业传媒保留追责权利。任何此前未经允许，已经转载本站原创文章的平台，请立即删除相关文章。