拓扑构型对3D打印多孔结构力学性能的影响

与传统制造技术相比，3D打印-增材制造技术具有诸多优势，包括：能够高精度制造复杂几何结构、最大限度节省材料、设计灵活度高、支持个性化定制。正因如此，增材制造技术和材料科学的进步正在推动结构向轻量化、智能化方向发展，以实现更高的刚度-重量比和强度-重量比。通过增材制造技术制备的多孔结构还能够有效吸收冲击能量。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41598-025-19618-y

近日，重庆文理学院、重庆大学高性能结构增材制造重点实验室的研究团队在Scientific Reports 期刊发表了“Effect of topological configuration on mechanical properties for 3D printed porous structures”一文，深入探讨了由拓扑构型决定的3D打印多孔结构力学性能。本期谷.专栏将对这一研究进行简要分享。

近年来，多孔结构已在多个领域获得广泛应用，包括骨植入物、能量吸收装置、散热系统和轻量化结构等。例如，近期研究进展表明，基于三周期极小曲面拓扑的多孔结构在潜热储能系统中表现出优于传统金属泡沫的传热性能。

多孔结构通常具有大密实应变、高比强度以及平滑的平台应力区等特征。特别值得一提的是，增材制造技术赋予多孔结构三大优势：设计自由度大、功能多样化、性能响应均匀且可重复。该技术能够制造从梁基结构（如体心立方和面心立方）到面基结构（如三周期极小曲面结构）等各种复杂几何形状。此外，自然界启发的多孔结构（如蜂窝结构）也通过增材制造得到了深入研究和应用。这些结构能够产生丰富的力学响应，从传统的拉伸主导和弯曲主导行为，到更复杂的突弹跳变机制。

几何排列，如拓扑构型和梯度策略，已被证明是影响多孔结构力学性能的主要因素。研究团队选择体心立方（BCC）构型来验证经典构型演变对力学性能的影响。他们设计了一种具有中心节点偏移的多孔结构，并通过有限元分析和准静态压缩实验讨论了其等效弹性模量、屈服强度、峰值强度、变形行为和能量吸收能力。

“3D Science Valley 白皮书 图文解析

多孔结构设计

作为一种规则排列的晶体材料，BCC多孔结构的力学性能已得到广泛研究，例如梯度多孔结构和TPMS多孔结构。由于成形过程中固体的变形或不同的热处理方法，会存在点、线、面等缺陷，这些缺陷严重影响多孔材料的力学性能。因此，本文讨论了晶体材料中单点缺陷的力学性能以及多孔结构在其原始位置附近的演变。研究团队基于BCC构型进行了多孔结构的变形设计，如图1所示。可以看出，传统BCC的中心节点位于立方体中心，即坐标（2,2,2）处。基于传统BCC的构型，变形BCC构型的中心节点向上或向下偏移，即坐标（2,2,3）和（2,2,1），立方体的其余部分保持不变。进而，通过组合设计了具有节点偏移的组合变形BCC结构，如图2所示。

图1 晶格结构设计：(a)多孔结构框架；(b) BCC拓扑构型；(c) 中心上移；(d) 中心下移。

图2 传统BCC和组合变形BCC的多孔结构。

为避免结构性能出现意外，研究团队设计了三种不同的体积分数，包括5%、10%和20%。

材料与制造

为获得以上变形设计的多孔结构，研究团队采用了已广泛应用于汽车、航空航天和医疗植入体的增材制造Ti-6Al-4V（TC4）合金材料进行增材制造。图4 为3D打印样件。

图4 具有节点变形的3D打印多孔结构样件。

有限元分析与压缩试验

本研究采用基于Johnson-Cook损伤模型的有限元分析法，通过HyperMesh软件建立0.2 mm C3D4四面体网格模型，在Abaqus环境中进行准静态压缩仿真；同时使用CMT5105型万能试验机，按照ISO 13314:2011标准以1.5 mm/min恒定速率对SLM成型的多孔结构开展实验验证。

图7 仿真与实验应力-应变曲线对比（体积分数 V = 5%）

图8 不同体积分数下多孔结构的应力-应变关系曲线：(a) V = 5% (b) V = 10% (c) V = 15% (d) 等效弹性模量对比

表3 设计结构的压缩性能

研究结果表明，仿真与实验的应力-应变曲线变化趋势高度吻合，其中仿真中的应力下降源于Step 8时杆件飞脱，而实验曲线的阶梯式上升则归因于破碎结构的逐层压实机制。变形行为分析显示，传统BCC结构呈现45°方向剪切破坏，而CDBCC结构则表现出逐层破坏特征——前者在Step 5发生破坏，后者提前至Step 4。值得注意的是，虽然CDBCC结构更早发生破坏，但TrBCC构型展现出更优的力学性能，该现象可通过Step 3时二者应力状态的差异获得合理解释。

图9 压缩状态下多孔结构的变形行为

能量吸收

多孔结构在压缩载荷下通常会出现较长的平台应力区，这一特性使其特别适用于能量吸收领域，如缓冲吸能和防护装置等。因此，研究团队重点分析了CDBCC结构的能量吸收特性，结果如图10所示。数据显示：在5%、10%和15%体积分数下，CDBCC结构的能量吸收能力分别比传统BCC结构提高31.57%、72.42%和27.23%。其中，10%体积分数下CDBCC多孔结构的吸能性能甚至优于经过TPMS优化的BCC多孔结构。这一发现为提升BCC构型多孔结构的能量吸收性能提供了新的思路。

图10 两种结构的预测曲线

研究团队基于实验数据进一步拟合预测了能量吸收特性随体积分数变化的规律。结果表明，具有节点偏移设计的新型结构比传统BCC具有更优异的能量吸收特性。这为开发具有高比刚度、高能量吸收特性的轻质多孔结构提供了新的设计选择，也为多孔结构的优化设计奠定了研究基础。

结论

本文系统研究了晶格拓扑构型变化对多孔结构力学性能的影响，采用计算机辅助设计方法在相同体积分数下构建了新型多孔结构，并通过仿真分析和实验测试对其力学性能进行了深入研究，为开发具有高比刚度、高能量吸收特性的轻质多孔结构提供了新的设计思路，也为多孔结构的性能优化提供了重要的实验数据和理论依据。

论文引用

Li, Y., Ma, X. Effect of topological configuration on mechanical properties for 3D printed porous structures. Sci Rep 15, 35509 (2025). https://doi.org/10.1038/s41598-025-19618-y

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