基于3D打印的周期性点阵结构材料的简介.ppt

基于打印的周期性点阵结构材料的简介,By 梦迷仙境0425 CQU,一、点阵结构材料简介,点阵（Lattice Structure）是一组无限的点，连接其中任意两点可以得到一个矢量，点阵按此矢量平移后都能复原。三维空间点阵是在三维空间中点的无限阵列，其中所有的点都有相同的环境。 选任意一个阵点作为原点，三个不共面的矢量a， b和c作为坐标轴的基矢，这三个矢量得以确定一个平行六面体，即晶胞。 通过按照一定的方式连接晶胞中阵点构成strut（支架），我们可以得到不同的点阵单元（unit cell）。,晶胞,一种点阵结构,点阵、晶胞及阵点,一、点阵结构材料简介,常见的点阵单元结构,体心立方类（body-centered）： 长方体体对角线相交形成的结构及以此衍生出的其它结构（bcc；bcc,z等）。 面心立方类（face-centered）：按一定的方式连接长方体6个面心形成的单元结构及以此衍生出的其它结构（fcc；fcc,z；f2fcc,z等），考虑到SLM的支撑要求，通常去除横向支架。,体心和面心,一、点阵结构材料简介,点阵结构材料,点阵单元按照一定的方式周期性排布堆叠，即得到点阵结构材料。,bcc,bcc,bcc,z,一、点阵结构材料简介,点阵结构材料特点,质量轻（lightweight）。金属点阵材料的密度大大低于传统的固体材料,与传统的金属结构相比, 具有相同性能的点阵结构可以减重达70%以上。衡量参数：相对密度（relatively density）或体积分数（volumn fraction）。 高比强度和高比刚度。相比金属泡沫材料，结构上可控制，没有保守设计的约束。在低密度高孔隙率的情况下, 金属点阵材料的强度和模量比金属泡沫材料高出一个量级，承载效率更高，可以满足航空航天、海洋、交通等领域对于轻质和强度刚度的要求。 耐冲击。可替代现有交通工具的装备结构, 在保证足够强度的情况下,减轻质量并有效提高结构对外冲击力的防护。 高效散热、隔热性。可起到承载和散热/ 隔热的多重功能。 吸声效果好。金属点阵材料固有的多孔和周期性特征使其自然成为一种具有特殊声学性能的结构型材料。 电磁波吸收。电磁波在点阵材料的孔隙界面上会发生反射和散射, 因此金属点阵材料本身就具有电磁屏蔽隐身的能力。,二、点阵结构三维模型建立,以体心立方结构为例,根据长方体体对角线，建立四根支架，形成体心立方单元； 体心立方单元向x、y轴两个方向阵列，得到1010个单元的“面” 。由于模型特征数目多，阵列时速度较慢。 多个“面”通过装配形成待研究的体心立方点阵结构。由于单个“面”特征数目多，采用复制或者阵列命令会由于计算机的硬件限制而造成特征生成失败。,由于单元尺寸比较小（1mm到8mm），所以一般点阵结构材料单元数目很多，用这种建模方法十分耗费资源，非常容易造成建模失败。国内外研究者已经着手用二次开发或专用软件来解决建模问题。,二、点阵结构三维模型建立,点阵结构轻质机械零件建模方法,1. 直接法：即先建立符合需求的材料结构，再在其基础上设计零件。,优点：建模方法简单，后续开展理论力学性能研究相对容易。 缺点：硬件要求高，建模时间较长。,2. 反演法：根据零件的几何形状及力学特性，生成需求的微结构。,三、点阵结构的力学特性研究,研究现状,Deshpande等（2000, in Cambridge University）运用力学理论和试验研究了基于一种八支架单元结构（octet-struss）点阵材料的力学特性，包括对其弹性特性和屈曲、塑性屈服开展了理论研究并运用有限元进行分析。该研究表明，该八支架点阵结构有希望设计制造在轻质结构领域中金属泡沫材料的理想替代材料。 S.McKown等（2007, in Liverpool University）研究了在准静态条件和压缩以及冲击载荷条件下，两种体心立方点阵结构的应力应变关系以及失效分析。 G.N.Labeas等（2010, in Patras University，Greese）通过改变在相同总体结构尺寸下改变单元结构的尺寸，得到相对密度不同的三种点阵结构。通过力学理论和beam-type有限元模型，开展力学性能研究，同时，还注意到了点阵单元几何参数以及加工精度带来的影响，提出在弹性和塑性变形阶段点阵结构的应力应变响应。 M.Smith等（2011, Liverpool University）通过对比在压缩载荷条件下的两种有限元分析方法，提出由于点阵结构材料存在单元数目多、结构形状复杂的特点，相对于常规的3Dcontinuum-type，beam-type有限元模型虽不能详细分析点阵单元的全部受力特性，但是其网格数少，在可接受的尺度范围内可以得到和试验相吻合的结果，可以分析单元数较多的结构。,三、点阵结构的力学特性研究,研究现状,Chunze Yan等（2012, in Exter University）研究了一种新型的gyroid单元结构，并研究其尺寸对点阵结构的制造性、相对密度和压缩特性的影响。由于该单元点阵结构具有“自支承性”，运用SLM技术可加工单元尺寸8mm的点阵结构。 由上可知，我们可以得到关于现阶段点阵结构力学特性相关研究的主要内容： 根据点阵结构的对称性，研究点阵单元的本构关系，得到理论刚度矩阵（stiffness matrix）或柔度矩阵。 运用SLM技术制造点阵结构材料，通常为立方体块，立方体边长20mm左右，单元尺寸18mm。 立方体样块和其CAD模型存在误差以及几何缺陷，主要研究球化现象和残余应力形成的原因。 研究立方块在单方向压缩或冲击载荷条件下的力学性能，主要包括弹性模量、平台应力及压缩应变及金属支架的临界弹塑性屈服应力。开展有限元分析（beam-element）结果与试验数据的对比分析。 研究单元尺寸（aspect ratio）、拓扑结构及空间布局对总体结构性能的影响。,三、点阵结构的力学特性研究,球化现象（balling phenomenon）,(a) the struts of the gyroid cellular lattice structure with the cell size of 2 mm and the volume fraction of 15% made by the SLM process, (b) the cross section of a strut, (c) particles bonded to the surfaces of