中科院力學(xué)所3D打印點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)研究取得進(jìn)展
輕質(zhì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在承載、吸能、隔熱、隔震等諸多領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景，傳統(tǒng)的制備方法如沖壓成型、熔模鑄造等對點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的材料選擇、桿件尺寸和構(gòu)型選擇都有要求，制約了其進(jìn)一步的工程應(yīng)用。近年來，隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，這種高效、靈活的技術(shù)開始被越來越多的應(yīng)用于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制備。然而，目前廣泛采用的一體化打印的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)往往存在各向異性和支撐材料去除的問題，前者使3D打印點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能遠(yuǎn)小于理論值，后者則顯著增加了后處理的時(shí)間與成本�！ � jsuQ R
近日，中國科學(xué)院力學(xué)研究所熱結(jié)構(gòu)耦合力學(xué)課題組首次將嵌鎖組裝方法引入3D打印技術(shù)中來制備點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，即通過將三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)“降維”，轉(zhuǎn)化為二維桿件結(jié)構(gòu)打印，再采用嵌鎖組裝方法將二維桿件拼裝成三維的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。研究人員采用該方法，針對熔融沉積成型(FDM)這種最為常見的3D打印技術(shù)，制備了BCC構(gòu)型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了桿件結(jié)構(gòu)中纖維的最優(yōu)分布，相比于一體化打印的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提升了37%-65%。 ,W.O*vCA
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圖1.兩種FDM點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制備方法對比(a)一體化3D打�。�(b)打印+嵌鎖組裝 b cQ$S;U)
進(jìn)一步將該方法拓展到聚合物噴射成型(PolyJet)技術(shù)中，制備了BCC、BCC-Z、FCC、Octet四類典型的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了不同構(gòu)型的PolyJet點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中桿件的最佳打印方向(X-Y平面)。 _$r+*nGDz
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(a)嵌鎖組裝與一體化打印點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中桿件打印方向比較，嵌鎖組裝實(shí)現(xiàn)了所有桿件打印方向的力學(xué)性能最優(yōu)（綠色），一體化打印有部分桿件的力學(xué)性能較差是（黃色和紅色）(b)嵌鎖組裝制備的PolyJet點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)多胞與單胞試樣 @ ~PL|Pp_
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圖2.PolyJet制備四類典型的3D點(diǎn)陣結(jié)構(gòu) 56fcifXz@
該方法解決了3D打印點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中存在的各向異性問題，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的大幅提升，壓縮強(qiáng)度提升均在100%以上，比吸能提升了72%~186%。同時(shí)，由于打印過程無需支撐材料的輔助，打印時(shí)間和打印耗材均降低了80%以上。 1_A< nt?'R
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圖3.嵌鎖組裝制備的PolyJet點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)大幅提升了力學(xué)性能、節(jié)約了制備成本。圖為兩種制備方法比較 (a)壓縮強(qiáng)度；(b)比吸能；(c)打印耗材；(d)打印時(shí)間 @rE>D
研究人員建立了四類點(diǎn)陣構(gòu)型面外壓縮力學(xué)性能的理論模型，試驗(yàn)結(jié)果表明，嵌鎖組裝點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的壓縮強(qiáng)度與理論壓縮強(qiáng)度非常接近。該研究工作為高效制備力學(xué)性能優(yōu)異的大尺寸3D打印點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)提供了可能。 zDX-}t_'q
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圖4.BCC-Z點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)理論模型與實(shí)驗(yàn)值比較 cEe>Lyt
相關(guān)工作以Improving mechanical performance of fused deposition modeling lattice structures by a snap-fitting method和Maximizing mechanical properties and minimizing support material of PolyJet fabricated 3D lattice structures為題，分別發(fā)表在Materials and Design (2019)和Additive Manufacturing (2020)上， 第一作者為力學(xué)所2017級(jí)碩士生劉文峰，通訊作者為研究員宋宏偉。研究工作得到國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。 &Oe,$%{hBh
論文鏈接：1. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.108065 'Ic$p>
2. https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101257
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