研究人員研究負載率對金屬3D打印蜂窩晶格結(jié)構(gòu)的影響

2024年5月15日，南極熊獲悉，愛爾蘭利默里克大學（University of Limerick）的研究人員評估了金屬3D打印蜂窩晶格在以不同速率施加壓力時的機械性能。

△研究成果已發(fā)表已在《工程結(jié)構(gòu)》雜志上，題目為“加載速率對增材制造316L鋼蜂窩結(jié)構(gòu)面內(nèi)壓縮性能的影響”(傳送門)

該團隊使用激光粉末床熔融（LPBF）和材料擠壓（ME）方法，用316L不銹鋼對這些結(jié)構(gòu)進行了3D打印。然后進行了實驗，以確定不同的負載率對金屬晶格的影響，尤其是對使用材料擠壓生產(chǎn)的金屬晶格的影響。

通過這項測試，研究報告的作者Solomon Obadimu博士和副教授Kyriakos Kourousis希望能夠消除人們對于材料擠壓金屬3D打印理解上的差距。具體來說，他們試圖確定材料擠壓是否可用于生產(chǎn)可靠的金屬結(jié)構(gòu)，以及它們的機械性能是否與使用LPBF生產(chǎn)的金屬結(jié)構(gòu)不同。

△蜂窩、面內(nèi)（X1 和 X2）和面外（X3）加載方向的示意圖

負載率對金屬3D打印蜂窩的影響

Obadimu和Kourousis稱，金屬增材制造是一種在許多工業(yè)應用中越來越多地采用的技術(shù)，并引起了學術(shù)研究人員越來越多的關(guān)注，這種關(guān)注主要集中在LPBF技術(shù)上。因此，對其它方法（如材料擠壓）的了解還存在差距，材料擠壓可以提供一種經(jīng)濟實惠的方法來替代基于激光的方法。

研究人員試圖通過評估準靜態(tài)負載率對材料擠壓3D打印金屬蜂窩晶格的影響來彌補這一差距。在實際應用中，這些結(jié)構(gòu)通常會承受巨大的壓縮壓力。

在之前的研究中，利默里克大學的研究人員強調(diào)了蜂窩的關(guān)鍵特征，如蜂窩壁厚度、蜂窩大小和相對密度，與其壓縮行為相關(guān)。這包括利用經(jīng)驗模型和方程式預測它們在壓力下的性能。   

在這些研究成果的基礎(chǔ)上，研究人員利用材料擠壓3D打印技術(shù)生產(chǎn)出了蜂窩尺寸從6毫米到7毫米不等的金屬蜂窩結(jié)構(gòu)。研究人員還使用LPBF 3D打印出了單個尺寸為2.45毫米的蜂窩，并將其與使用材料擠壓制作的部件進行了比較。

然后以0.5毫米/分鐘和600毫米/分鐘的速度對3D打印蜂窩的側(cè)面施加壓縮載荷。在測試過程中，使用DIC觀察和分析了晶格的破壞模式。

△承受壓縮載荷的蜂窩示意圖

研究人員強調(diào)了此次測試的一些重要發(fā)現(xiàn)。首先，材料擠壓和激光粉末床熔融3D打印的蜂窩都受到壓縮速度的影響。單位體積吸收的能量、屈服應力和壓縮應力的增加與加載速度的增加直接相關(guān)。然而，結(jié)構(gòu)的彈性模量和致密化應變并未隨著壓縮速度的變化而改變。

對于使用材料擠壓3D打印的蜂窩，研究人員還發(fā)現(xiàn)，密度和剛度較高的較小蜂窩（6毫米）在壓縮時表現(xiàn)出比較大的蜂窩（6.5毫米和7毫米）更大的強度。研究還指出，在壓縮過程中溫度的升高會導致熱軟化。

此外，DIC數(shù)字圖像顯示，蜂窩的變形方式取決于壓縮速度。研究人員觀察到三種特殊的變形模式，其中包括垂直的"I"形、"X"形帶和對角剪切型變形。

△不同負載率下單元尺寸6.0 mm、6.5 mm和7.0 mm的材料擠壓蜂窩體的屈服應力、壓縮應力和彈性模量(EH)實驗結(jié)果

最后，研究發(fā)現(xiàn)，相同形狀和尺寸的蜂窩對負載率的敏感性可能會有所不同。Obadimu和Kourousis還得出結(jié)論，結(jié)構(gòu)的壓縮行為受到3D打印工藝的影響。例如，用擠壓材料制作的蜂窩在壓縮時表現(xiàn)出更大的差異性。

在實驗分析之后，研究人員還利用現(xiàn)有的經(jīng)驗模型驗證了他們的發(fā)現(xiàn)，這些模型在很大程度上反映了實驗結(jié)果。研究報告的作者還提出了一個新模型，該模型考慮了壓縮加載過程中準靜態(tài)加載狀態(tài)下的應變率效應。實際上，新模型可以讓研究人員更好地預測結(jié)構(gòu)在壓力下以非常緩慢的速度壓縮時的反應。