北理工：微點陣圓柱殼結構的原位同步X射線斷層掃描研究

來源：摩方精密

輕質的點陣超材料在散熱、隔音、承載和能量吸收領域具有極大的應用前景。近年來，具有仿生結構特征的新型微點陣殼體曲面結構，尤其是基于三周期最小曲面的微點陣殼結構得到學術界和工業(yè)部門的廣泛關注。相關的研究發(fā)現(xiàn)這類微點陣殼結構在吸收能量方面顯著優(yōu)于同等重量的微點陣桁架結構。然而，目前關注度高的微點陣殼結構主要是在笛卡爾坐標系下設計的周期性排布最小曲面的立方殼結構，在很多具有圓柱構型的工程裝備應用中具有一定的局限性，而基于三周期最小曲面的微點陣圓柱殼結構鮮有報道。

伴隨著3D打印行業(yè)的發(fā)展，越來越多的3D打印技術被用于微點陣結構的制備與相關力學研究。然而，制造過程中不可避免地都會在材料內部產(chǎn)生隨機的幾何缺陷，這些缺陷將會對宏觀結構的力學性能產(chǎn)生較大的影響。目前，已有大量關于選擇性激光熔融技術或者電子束熔融技術的制造缺陷對結構力學性能影響的報道。但是對于具有更小尺度的、更高精度的微點陣結構，特別是結構更為復雜的三周期最小曲面的微點陣殼結構，受限于其加工難度，鮮少有其相關的缺陷力學影響研究。而面投影立體光刻技術（PμSL）的出現(xiàn)，其亞微米級的光學精度可以促使更加精細、微小尺寸的微點陣結構得到精準制備，極大地推動了微點陣結構在多功能化的進展。

基于上述背景，北京理工大學李營課題組、上海交通大學吳文旺課題組研究了采用PμSL 3D打印技術（2μm光學精度打印系統(tǒng)nanoArch S130，摩方精密）制備的基于三周期最小曲面的微點陣圓柱殼結構（P-TPMS）的力學行為。同時采用原位同步X射線斷層掃描三維成像技術和間斷原位壓縮實驗來量化缺陷對壓縮力學性能的影響。研究結果表明，沿垂直方向的厚度大于沿水平方向的厚度。另外，為了明確制造缺陷對力學行為的影響，研究團隊建立了三種不同的有限元分析模型。仿真結果表明，與理想模型和真實幾何重建模型相比，統(tǒng)計模型具有更高的精度和效率。最后，針對厚度缺陷對殼體力學性能的影響進行了參數(shù)化的研究。該研究成果，以“In-situ synchrotron X-ray tomography investigation of the imperfect smooth-shell cylinder structure”為題發(fā)表在Composite Structures上。

原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.113926.

圖1. (a) P-TPMS微點陣圓柱殼結構的設計示意圖；(b) 打印模型示意圖 (c) 相應的結構參數(shù)示意圖

圖2. 打印過程示意圖（nanoArchS130，摩方精密）

圖3 打印樣件的光學顯微鏡圖片

圖4. 原位同步X射線斷層掃描設備

表格：三種模型的性能參數(shù)與計算時間