面向增材制造的自支撐晶格的設(shè)計(jì)方法

作者：關(guān)志強(qiáng)、連芩
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　

采用增材制造（AM）技術(shù)制備的晶格桁架結(jié)構(gòu)因其超輕和多功能特性有望在航空航天器領(lǐng)域（提升系統(tǒng)性能、節(jié)約推進(jìn)能量等）得到廣泛的應(yīng)用。然而，通過AM技術(shù)制造的晶格單元在設(shè)計(jì)的過程中很少考慮制造技術(shù)本身的約束（如SLM技術(shù)，當(dāng)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中的桿件相對于水平面測量的懸垂角小于35度的時候，就需要額外的支撐結(jié)構(gòu)），導(dǎo)致晶格結(jié)構(gòu)的實(shí)際機(jī)械性能與設(shè)計(jì)性能之間存在顯著差異。因此，急需開發(fā)考慮了AM技術(shù)約束的晶格單元的創(chuàng)新設(shè)計(jì)策略。

中國空間技術(shù)研究院、南京航空航天大學(xué)和北京理工大學(xué)的方岱寧院士團(tuán)隊(duì)合作，受固體物理學(xué)中晶體學(xué)的多重旋轉(zhuǎn)對稱性的啟發(fā)，采用三、四、六重旋轉(zhuǎn)對稱操作設(shè)計(jì)了三類用于AM的自支撐晶格單元。通過改善單元中節(jié)點(diǎn)的連通性，可以使結(jié)構(gòu)從以彎曲主導(dǎo)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐岳熘鲗?dǎo)。因此，通過逐步增加節(jié)點(diǎn)的連通性，又可以把每類晶格分為四個層次級別。經(jīng)過以上設(shè)計(jì)，共形成了如圖1所示的12種自支撐晶格單元的設(shè)計(jì)。并用SLM制造出了這12種結(jié)構(gòu)。

圖1. 3類自支撐晶格單元及每類單元所對應(yīng)的四個層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

作者使用節(jié)點(diǎn)位移法推導(dǎo)出自支撐晶格的彈性本構(gòu)關(guān)系，用有限元計(jì)算和力學(xué)實(shí)驗(yàn)的比對，驗(yàn)證了本構(gòu)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)和理論分析結(jié)果如表1所示（其中L3-1表示三重旋轉(zhuǎn)對稱的第一級結(jié)構(gòu)，對應(yīng)圖1的a-1）。可以看出，理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果彈性模量之間的誤差在之間。在亞毫米尺度上，彈性模量的誤差在之間，都是可以接受的。因此，本文所提出的設(shè)計(jì)策略是合理的。

表1.通過實(shí)驗(yàn)和等效計(jì)算得到的壓縮模量

這項(xiàng)工作對于各個領(lǐng)域的超輕三維晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有重要的意義。并且基于本文所提出的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)設(shè)計(jì)和制作了多個航天器結(jié)構(gòu)，如：首個由晶格夾層板組成的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)(2019年由千乘一號衛(wèi)星發(fā)射)；由拓?fù)鋬?yōu)化薄壁結(jié)構(gòu)和晶格填充組成的動量輪支架結(jié)構(gòu)(2019年由中巴地球資源衛(wèi)星 04A發(fā)射)；由薄壁和晶格填充結(jié)構(gòu)組成的月球及火星深空探測器的相變熱控制器和集熱器框架結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：
Hao Zhou et al, Design of self-supporting lattices for additive manufacturing[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids (2021). DOI: 10.1016/j.jmps.2021.104298