金屬三維晶格結(jié)構(gòu)具有比強度高、機械效率高、能量吸收能力強等優(yōu)良的力學(xué)性能，在輕型航空航天、交通運輸結(jié)構(gòu)、沖擊防護裝置等多種工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。實際上，金屬晶格結(jié)構(gòu)已經(jīng)成熟用于我國航天器結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。
晶格結(jié)構(gòu)特性與能量吸收能力
晶格材料最重要的特性之一是能量吸收能力，其特征在于壓縮過程中能夠吸收或耗散機械能。已經(jīng)證實，大多數(shù)晶格結(jié)構(gòu)，如金字塔晶格、三維Kagome晶格、四面體晶格以及鉆石晶格等，可以通過改變長徑比或晶胞大小等幾何參數(shù)獲得非常優(yōu)異的能量吸收性能。
此外，可設(shè)計的具有晶格結(jié)構(gòu)的夾芯板也被證明具有出色的能量吸收性能。除了幾何參數(shù)外，還可以通過復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如梯度結(jié)構(gòu)、金屬泡沫填充結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)和不同的單胞結(jié)構(gòu)）來調(diào)整能量吸收性能，其已被證明在能量吸收方面比單一晶格結(jié)構(gòu)更有效。
另一種提高機械性能或能量吸收能力的方法是修改連接支柱的節(jié)點結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到壓縮或沖擊載荷時，通常會出現(xiàn)應(yīng)力集中，該方法相對簡單，但在提高金屬晶格結(jié)構(gòu)的能量吸收能力方面非常有效。
晶格結(jié)構(gòu)的制備方案
傳統(tǒng)工藝與3D打印各有局限
到目前為止，已經(jīng)有幾種制造金屬晶格結(jié)構(gòu)的技術(shù)，包括沖壓成型、擠壓結(jié)合線切割、擴展板折疊和熔模鑄造。除了鑄造之外，這些技術(shù)還必須使用粘合或焊接技術(shù)來組裝支柱以形成晶格結(jié)構(gòu)。在加工過程中，連接點通常對缺陷敏感，例如對氣泡和微裂紋，導(dǎo)致晶格結(jié)構(gòu)的整體機械性能減弱。對于熔模鑄造技術(shù)，由于技術(shù)本身的限制，電解槽配置不能太復(fù)雜。
3D打印技術(shù)的出現(xiàn)使晶格結(jié)構(gòu)的制造不再困難，而且它不需要結(jié)合傳統(tǒng)工藝。然而由于可成型材料有限，該技術(shù)在制造晶格結(jié)構(gòu)方面仍然存在不足。
為了克服增材制造和熔模鑄造的局限性，近年來開發(fā)了一種將3D打印與熔模鑄造相結(jié)合的新技術(shù)。在該技術(shù)中，首先通過3D打印制備低熔點樹脂基晶格結(jié)構(gòu)，然后用其制作陶瓷外殼模具。最后，熔融金屬在壓縮空氣的作用下滲入模具型腔，金屬凝固后，去除外殼就得到了金屬晶格結(jié)構(gòu)。除了能夠產(chǎn)生任何復(fù)雜的構(gòu)型之外，該方法對材料的選擇幾乎沒有限制。
3D打印與熔模鑄造制作晶格結(jié)構(gòu)
3D打印+鑄造制作的鑄鋁晶格結(jié)構(gòu)
為了進一步比較晶格結(jié)構(gòu)不同制備方法引起的力學(xué)性能和能量吸收差異，3D打印技術(shù)參考了解到，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所材料物理重點實驗室與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院合作，通過3D打印結(jié)合熔模鑄造和直接金屬增材制造，制備了三種支柱材料的增強型棱錐晶格結(jié)構(gòu)，通過有限元模擬對壓縮行為和能量吸收特性進行了理論分析和實驗驗證。
不同工藝制造晶格結(jié)構(gòu)的性能差異
采用直接3D打印和3D打印結(jié)合熔模鑄造兩種技術(shù)制備晶格結(jié)構(gòu)樣品。前者使用BLT-A300打印機，材料選擇適用于3D打印的AlSi10Mg粉末；后者使用了鑄態(tài)AlSi10Mg合金和7005鋁合金。
為了了解本研究中使用的不同鋁合金的機械性能，進行了拉伸實驗。相關(guān)應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示，直接金屬3D打印的AlSi10Mg強度和剛度最高，但延展性最低；相反，鑄態(tài)AlSi10Mg合金的延展性最高，但強度最低，7005鋁合金具有中等強度和延展性，僅介于另兩種材料之間。
不同鋁合金的拉伸試驗：(a)拉伸試樣的幾何尺寸；(b)應(yīng)力-應(yīng)變曲線
晶格結(jié)構(gòu)的機械性能可以通過節(jié)點增強來提高。在這項研究中，制備方法和支柱材料的影響是關(guān)注的焦點。通過增強型金字塔晶格結(jié)構(gòu)和通常結(jié)構(gòu)的對比可以看出，增強是通過向節(jié)點逐漸增加支柱的直徑來實現(xiàn)的。
金字塔點陣結(jié)構(gòu)的特征：左邊是普通星，右邊是增強型
晶格結(jié)構(gòu)的相關(guān)幾何參數(shù)定義如下：de和dm分別代表支柱端部直徑和中部直徑；L、H、θ分別表示底面的寬度、晶胞的高度和支柱與底面的夾角；Le和Lc分別為支柱的有效長度和等徑長度。為了研究幾何參數(shù)的影響，de的值從1.4毫米到1.8毫米不等，間隔為0.1毫米，其中1.4毫米也是用于比較的常用金字塔結(jié)構(gòu)的直徑。當(dāng)de增大時，dm減小以保持晶格結(jié)構(gòu)的相對密度不變。θ值在35°到55°之間變化，間隔為10°。
四組樣本，A、B、C 和 D，節(jié)點增強型金字塔晶格結(jié)構(gòu)
A、B、C 組 EP 晶格結(jié)構(gòu)的變形過程與仿真結(jié)果
三種支柱材料中的增強晶格結(jié)構(gòu)通過兩種制備方法制備，通過有限元分析和壓縮實驗系統(tǒng)地研究了制備方法、支柱材料和幾何參數(shù)對壓縮行為和能量吸收的影響，主要結(jié)論總結(jié)如下：
(1) 與金屬增材制造相比，3D打印結(jié)合熔模鑄造的制造方法消除了金字塔晶格結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變曲線平臺階段的應(yīng)力波動，甚至增加了大傾角下的能量吸收。然而，抗壓強度同時降低。
(2) 增加增強型棱錐格構(gòu)結(jié)構(gòu)的傾斜角度可以縮小承載能力的差距并提高能量吸收。對于鑄態(tài)7005鋁合金晶格結(jié)構(gòu)，在壓縮過程中發(fā)生脆性斷裂，導(dǎo)致能量損失
(3) 增強型金字塔晶格結(jié)構(gòu)的端部直徑對抗壓強度和能量吸收至關(guān)重要。加厚端部直徑在一定程度上降低了節(jié)點附近的應(yīng)力集中。
(4) 能量吸收圖中肩部點相對于傾角的包絡(luò)線是一條直線。能量吸收圖表明，對于AlSi10Mg，當(dāng)σ/ES<1.48×10時，3D打印結(jié)合熔模鑄造是更好的選擇，相反可以考慮金屬增材制造。當(dāng)σ/ES>6.84×10時，使用鑄態(tài)7005鋁合金是一種折衷方案。
(5) 理論方程和有限元分析與實驗結(jié)果一致，可用于預(yù)測節(jié)點增強錐體晶格結(jié)構(gòu)的力學(xué)和能量吸收特性。
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