3D打印胞元結構建模的六大挑戰(zhàn)

3D打印的一大優(yōu)勢是靈活性以及打印成本對產品的復雜性不敏感，這也是復雜的胞元結構成為3D打印領域的一大熱門研究方向的主要原因。之前南極熊報道過對3d打印部件進行拓撲優(yōu)化，而且我們都知道使用切片軟件進行切片時可以選擇蜂窩狀填充。就像建筑用的空心磚，胞元的應用減少了材料的使用，有效幫助實現輕量化，而與此同時，如何保證仍然滿足力學性能的要求，則成為建模界“才下眉頭、卻上心頭”縈繞不散的要緊事。

力學的事兒，結構大作為

1 連續(xù)建模
當你把材料均勻的分散在每個結構點上，你可能會覺得這些點陣上的材料特性也是一樣的。然而，忽略那些蜂窩結構中的連接支柱/節(jié)點部分的研究將帶來錯誤的建模或者是打印過程。那些各向異性是在建模過程中就需要考慮的因素，而諸如表面粗糙度、局部結構或尺寸公差這些問題在小于1毫米厚的連接部位變得尤為突出，與此同時對加工工藝的了解變得尤為重要，通常情況下相同的幾何形狀，在不同的工藝條件下產生明顯不同的結果。

圖：蜂窩結構壓縮下彈性應變不均勻的地方

2 大小的影響
尺寸效應是顯著的，包括尺寸函數變化都是門高深的學問。 如何在蜂窩結構材料中實現精確、均勻和各向同性材料，不僅僅是個數學問題。以彈性模量為例，這個屬性的提取強烈地依賴于參與實驗表征過程中的胞元數量?？紤]到實驗工作的進行，改變多軸向和縱向胞元的分布，下圖的測試樣品由六邊形蜂窩組成。研究這些胞元的大小如何影響產品的性能，這是一個重大的挑戰(zhàn)，或者說這本身就可以成為一門學科，由此還延伸出另外一個問題，表征胞元特性的正確樣本設計是什么？

圖：壓力顯示結構與胞元數有很強的相關性

3 接觸效應
在壓力試驗中結構件頂部和底部的力學分布與位于結構件中間的可能是大不相同的，通過調整胞元的設計可以達到更好的力學壓力分配。

圖：壓力分配情況

4 宏觀結構的影響
不僅僅微觀分布對宏觀結構的力學性能帶來影響，另一方面，宏觀結構也會對微觀結構帶來影響，包括非常高的縱橫比，在宏觀變形包括宏觀層面上引起的彎曲通常帶來胞元的力學性能的變化。

5 尺寸公差的影響
雖然所有的制造過程中都允許一定程度的尺寸公差，但是這些尺寸誤差用在含胞元結構的產品上可能帶來非常顯著的作用。在這里，3D科學谷拿一個典型的工業(yè)3D打印過程來說，公差在75微米（0.003″）的蜂窩結構（特別是微格）往往帶來250-750微米的厚度公差。這些被“放大”的錯誤使得設計和制造都面臨著雙重的挑戰(zhàn)，而且還需要通過滲透到內部的測量手段，包括X射線掃描。不僅僅是昂貴的檢測方法，除了對建模的高要求，針對增材制造的高效仿真分析軟件變得尤為重要。

圖：0.004″的尺寸公差帶來7%的厚度錯誤

6 細觀結構的影響
增材制造的分層打印特性引入了一系列的挑戰(zhàn)，拿激光粉末床融化過程舉例，懸垂面與水平面的角度往往帶來不同程度的表面情況，體現在蜂窩結構中，可能導致在不同的打印方向上的不同厚度結果。

圖：打印方向影響的打印結果

來源：3D科學谷
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