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墨尔本理工大学马前教授团队在多类型空心支柱晶格3D打印研究方面独树一帜，目前已发表了关于钛合金和铝合金空心支柱晶格超材料的研究，对推动轻量化、功能化晶格材料的应用具有重大意义。3D打印技术参考注意到，马前教授团队于日前在Materials Science and Engineering: A在线发表了题为“Ti–6Al–4V hybrid-strut lattice metamaterials: A design strategy for improved performance”的文章，是该团队在晶格超材料方面的最新研究成果。
https://doi.org/10.1016/j.msea.2024.146918
金属空心支柱晶格通过调节支柱和节点截面来获得更高的强度。最近的研究已经表明，这些超材料已经超越了在密度和拓扑结构方面相似的传统实体支柱晶格的结构效率，但经常观察到局部的屈服和破碎，且其主要发生在限制其结构效率的节点位置。
为了量化这种局部失效的影响并制定缓解策略，马前教授团队将实心和空心支柱及节点部分集成在单一的Ti-6Al-4V简单立方体晶格中，设计为混合支柱，适用于15%至30%的可展开相对密度范围。通过激光粉末床熔融技术制造的这些混合支柱晶格比同等密度的固体支柱晶格具有更高的强度（32%）、更高的刚度（15%）和更高的韧性（65%）。而且，随着密度的增加，具有空心梁的超材料可以从弯曲主导的变形响应转变为拉伸主导的变形响应，而具有实心梁的晶格只观察到均匀的拉伸主导变形响应。混合支柱晶格中实心和空心支柱以及节点部分的组合建立了一种简单而有效的策略，可以在不增加密度或改变单元拓扑的情况下提高结构效率和控制失效响应。
研究人员研究选择了简单立方单元作为研究对象，之所以选择该单元，是因为其垂直支柱（与荷载对齐）与梁支柱（垂直于荷载对齐的水平X/Y支柱）的比率很高。此外，之前的研究表明，简单立方空心支柱晶格受局部节点变形的影响较为显著。为了评估空心节点和支柱部分相对于实心节点和支柱的效率，设计了四种特殊结构：
具有实心垂直支柱和实心水平梁的标准实心晶格，SC_SB
具有中空垂直支柱和中空水平梁构成的混合晶格，HC_HB
具有中空垂直支柱和实心水平梁的混合晶格，HC_SB
具有实心垂直支柱和中空水平梁的混合晶格，SC_HB
单元晶胞的设计尺寸为4×4×4mm，晶胞组成数量为6×6×6。晶格结构的设计相对密度为15%和30%两种，可通过改变圆形支柱横截面的外径来实现。对于15%的相对密度，实心和空心支柱的外径分别为0.99-1.26mm。对于30%的相对密度，实心支柱和空心支柱的外径分别为1.49-1.73mm。空心支柱的内径保持一致，为0.7mm，壁厚范围从0.28-0.52mm。晶格的尺寸边长范围为24.99-25.73mm。
通过观察发现，立方晶格的外部轮廓均完好无损，表明它们均得到了成功制造，而且各种晶格拓扑之间的几何一致性和结构稳定性都很高。研究人员还对不同相对密度晶格结构的制造精度进行了测量，发现15%相对密度的样品几何精度为98.6–99.4%；30%相对密度的样品精度达到了99.5–99.9%。研究人员还通过CT检查了所打印的晶格结构，不仅确认了格子结构的完整性，同时发现粉末被有效去除。
不同晶格结构的CT扫描
实验发现，具有空心垂直支柱和实心水平梁的混合支柱（HC_SB）晶格具有高效性，实心梁确保了几何连续性，从而实现均匀的应力分布。在15%-30%的相对密度范围内，此类样本的极限抗压强度、屈服强度、弹性模量和韧性范围分别为103-221MPa，90–182MPa，3.0–4.4GPa，3.3–11.3 J/mm³。与等效密度的传统SC_SB晶格相比，各项性能分别提高了32%、24%、15%和65%。
不同相对密度晶格的应力应变曲线
在不同密度和横截面几何形状条件下,简单立方晶格样品的断裂响应
简单立方格压缩试验后的平均力学性能
HC_SB混合支柱拓扑的成功突显了在结构效率方面，空心承重柱是最优的。这与节点的数值模拟和分析形状系数比较是一致的。即使承重支柱存在几何不连续性，标准全空心支柱晶格仍然比具有等效几何和重量参数的标准全实心晶格强度更好。这些实验结果表明，高效的空心支柱截面大大弥补了空心节点截面中低效的应力分布。此外，实验结果与节点的有限元分析一致，观察到在空心支柱的内节点即使有严重的应力集中，但也有较高的抗屈服性。
通过本研究可以得出结论，晶格结构的横截面几何形状对于结构效率具有重要影响。金属亚毫米级晶格在整个结构中可不采用单一设计，而是可以根据加载条件进行针对性设计，同时保障使用性能并最大程度减少结构重量。
总的来说，研究人员在相同的几何、重量、可制造性和机械测试条件下，比较了多种支柱类型组合的晶格结构性能。为了特别评估实心和空心横截面对支柱和节点的影响，这两种横截面被集成到混合支柱晶格中。最终发现，具有空心垂直支柱和实心水平梁的混合支柱晶格结构，具有最高的结构效率。
注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，已获得马前教授独家授权许可。
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