文|孤馆深深

编辑|孤馆深深

前言

具有可设计的单元配置和可定制特性的轻质晶格结构，在航空航天和医学等不同领域具有广泛的应用前景， 几何参数，如单元拓扑和细长比， 可以改变晶格结构的机械性能，蓬勃发展的增材制造（AM）技术，使具有复杂配置的晶格电池设计更加完善。

开发一种新的晶格电池设计方法

填充晶格单元的金属部件总是具有错误的几何设计或表现出不令人满意的机械性能，这是由体积孔隙率、表面粗糙度、半径变化、支柱波纹度和表面缺陷引起的， 前者通常意味着设计的模型仅存在于图纸中，不适合打印过程。

例如，具有晶格单元和几何约束的多功能卫星舱组件， 当确定组件的堆叠方向时，很难打印电池杆与堆叠方向之间的倾斜角度θ超过43°的晶格电池 ，后者意味着由于制造缺陷，如杆直径波动和波纹度。

均匀和可变细胞的几何形状

AM晶格结构的机械性能将比设计值降低20-30%，通常，单元配置范围从体心立方（BCC）到面心立方（FCC），倾角在0°到90°之间波动，可以满足工程结构的轴承要求，但是， 几何和工艺约束，很有可能导致看似成功的绘图，变成失败的打印操作。

即使晶格电池打印成功，也存在许多制造缺陷，导致机械性能显著恶化，作为解决这些问题的一种手段，拓扑优化方法可以部分处理最小尺寸和倾角约束，它也面临着一些问题，例如三维（3D）空间优化和计算效率问题。

机械性能也受到所选材料和3D打印设备工艺参数的明显影响，优化3D打印设备的材料和工艺参数也可以提高产品的机械性能，介绍了选择性激光熔化（SLM）晶格结构的设计、 制造和性能，总结数据以分析SLM晶格结构报告的机械性能，并深入了解其技术能力的界限。

但是，这种工作属于3D打印设备优化设计的领域， 普通工程师主要关注产品的结构设计，而不是3D打印设备的设计 ，因此，对于普通工程师来说， 寻找新的结构设计方法是获得高性能产品的主要途径 ，事实上，开发一种新的晶格产品设计方法是提高SLM晶格结构性能的可行方法。

晶格结构的竹布仿生设计

由关节和可变细胞分区组成的竹布萨仿生晶格结构，联合分区由具有均匀杆的BCC晶格单元组成， 可变单元分区由梯度棒组成，这可以使用选择性激光熔化（SLM）工艺轻松打印， 均匀杆直径表示为D，为了更准确地描述这种仿生设计，我们使用以下竹仿生参数 β 来分析和表征关节和可变细胞分区：

晶格结构的设计尺寸：

样品制备和实验程序

通过选择性激光熔化（SLM）制备了设计的O型和竹布晶格样品，相关316L不锈钢工艺参数列于中 ， 为了表征粉末的微观结构，还在Quanta FEG250显微镜上进行了扫描电子显微镜（SEM）研究，显示了316L不锈钢粉末的SEM图像， 其粒径范围在40至55μm之间，可以观察到良好的球形度。

对晶格样品进行了准静态压缩试验， 分析了晶格样品的力学性能和变形过程， 所有样品均在配备 30 kN 称重传感器的英斯特朗万能试验机上压缩，恒定压缩应变率为10−3/s.进行了两次重复实验，以确保实验结果的准确性。

使用每秒30帧帧的摄像机记录变形过程，表2列出了所有所需晶格图案的设计和制造质量，最大误差仅为3.67%，同时，还制作了两个单轴拉伸316L不锈钢样品以获得力学性能，然后将平均结果用作有限元（FE）模型的输入以进行模拟。

实验结果确定平均弹性模量、初始屈服强度和极限强度分别为93 GPa、545 MPa和1240 MPa。

有限元分析

利用ABAQUS软件对竹布晶格的压缩变形和力学性能进行了有限元分析，该模型包含两个刚体和与 C3D10M 实体单元网格划分的晶格单元， 为了确定合适的单元尺寸，还进行了网格收敛分析，并选择了0.20 mm的单元尺寸以确保计算效率。

两个刚体与两个参考点耦合，上半身负重，下半身固定，在准静态载荷条件下， 压缩速度为1.0 mm/s ，晶格单元与刚体之间选择惩罚摩擦系数为0.1的一般接触，而晶格单元之间也采用自动节点与表面接触。

使用弹塑模型来模拟SLM 316L材料， 母材的详细性能已经过测试，数值模拟的详细材料参数是通过对样品的单轴拉伸测试获得的。

竹布萨格子的有限元模型。

将利用模拟变形过程获得的数据与实验数据进行了比较，对于O型晶格，在压缩应变下可以观察到整个结构的“X”剪切带变形突破 ε=0.2除了通过塑性变形吸收的整个结构的能量外，其中破碎应力基本保持不变。

需要注意的是，剪切变形带限制了承载力，与O型晶格相比，竹布纱晶格表现出不同的变形特征，当压缩应变ε=0.2，“X”剪切带被节理分区中断，更多的局部剪切变形位于可变分区中。

这延迟了所有晶格单元的屈服过程和塑性变形演变，我们可以看到如何ε中断剪切带，压缩模量和初始屈服强度分别提高了21.36%和18.88%。

换言之，节理分区更容易改变剪切带演化并改善其力学性能，此外，从实验测试来看，两次重复的最大误差为2.71%;这表明竹布萨仿生设计方法符合印刷工艺的要求，产品质量高。

在实际应用中，压缩和剪切性能是晶格结构的关键指标，据此，分析计算了3种不同 β 值竹格结构的压缩和剪切性能。

三个班布萨晶格结构

压缩变形特性

竹格结构的变形过程，当压缩到0.2应变时，节理分区中的局部变形现象阻碍了晶格结构中的剪切带形成，当参数β等于0.6时，关节分区中的细胞杆比变量分区中的细胞杆细。

结果，它更容易屈服， 从而产生局部压缩区域，并且剪切带完全分离 。但是，当β等于 1.5 时，没有局部压缩区域，相比之下，可以得出结论，节理分区可以中断剪切带演化。

随着压缩应变的增加，节理分区的塑性变形逐渐增大，并且与刚体的塑性变形相似，上下可变分区在可变分区中压缩，换句话说 ，关节隔断中的细胞棒首先在压缩过程中被压实 ，由于上下可变分区中的细胞棒较大，破碎应力显著增加。

同样，当 β = 1.0和1.5时，在具有较细细胞杆的可变分区中更早发生塑性变形，还发现剪切变形带演化被阻断，随着应变的增加，节理分区塑性变形增大非常缓慢，破碎应力与竹布晶格相比逐渐增大， β =0.6， 当β >1时，首先压实上下杆，此外，当 β = 1和1.5时，节理隔板中杆的变形几乎一致。

竹格结构在 β =1和1.5时的压缩特性与 β =0.6时的压缩特性不同，它可以指导我们在实际设计中选择 β 的值。

剪切变形特性

剪切变形和应力-应变曲线如图10. β =0.6的竹格的剪切模量高于O型晶格结构，可以观察到O晶格结构的应力分布集中在“X”剪切带附近， 而其他区域的冯米塞斯应力显著较低，然而，接缝隔断直接改变了竹格结构中的应力分布。

例如， 当参数 β 等于0.6时，竹格结构的应力分布比O型晶格结构的应力分布更均匀， 当参数 β 等于1.5时，在可变像元中发现应力集中区域。

参数 β 改变了竹格结构中的剪切应力，相关机械性能列在表5.与传统方法相比，基于竹仿生方法的产品弹性模量可提高1.51倍（ β =1.5). β 参数显著影响力学性能， 特别是剪切性能。

结论

仿生竹设计的金属超材料静态特性，创新了竹布仿生设计策略，以提高晶格结构的力学性能，将竹布萨晶格结构的压缩和剪切变形与原始晶格结构进行了比较，基于实验和仿真结果，发现我们的设计可以在不增加质量或改变电池配置的情况下显著改善力学性能。

这综合调整了剪切变形带的演变，与传统方法相比，基于竹仿生方法的产品弹性模量可提高1.51倍（β=1.5).通过改变竹布萨仿生参数β ，可以轻松增强杨氏模量和剪切模量，从提高AM晶格结构力学性能的角度出发，该设计策略可以弥补工艺约束造成的性能下降，满足设计要求。

成功尝试增强晶格结构，并研究了仿生竹设计的金属超材料的静态特性，没有进行进一步的优化设计以提高机械性能，同时，未对其振动特性进行研究，因此，我们将在未来逐步研究这项工作。

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