增材制造:40% 到98% 之间孔隙率的金属泡沫

听我给你细细道来。在增材制造这块儿,大家最熟悉的那就是泡沫材料和蜂窝结构了,比如软木、骨头还有木材里的那种结构,它们的孔隙率通常在40%到98%之间。不过跟这些比起来,晶格结构可是另一码事。它可不是随便堆在一起的形状,而是靠着重复排列的规则单元把空间填满。把泡沫看成是随机排列的单元壁,而晶格结构就更像是通过支柱或者薄板把这些单元给连接起来。 拿大家都知道的晶格来说,现在最火的肯定是Nature-inspired设计的那种双梯度航空航天负泊松比超材料了。这种设计把大家常说的Design、Fabrication、Investigation这些步骤都串在一起,用来优化性能。至于具体怎么做的嘛,就是在三维空间里排列这些有边有面的单元细胞。如果这些单元的形状和大小不变,那就是周期性结构;要是变了,那就是伪周期性结构。 有时候为了让零件的形状更贴合,还会搞共形晶格。这种结构的细胞长度和形状会跟着部件边界走。还有一种随机模式,也叫随机晶格结构。它跟那种完全随机的泡沫不一样,细胞虽然排列有周期性,但大小、形状和方向是随机变化的。除了这些基本的分类,混合晶格结构也是挺有意思的。 咱们再看看增材制造里常见的那些单元拓扑结构。基于支柱的结构最简单了,就是顶点或者边缘上的节点被细直的支柱或者横梁连起来。这类单元有很多变种,像简单立方、体心立方(BCC)、面心立方(FCC)这些都是耳熟能详的名字。还有一种基于表面的单元就不一样了,像平板型的晶格或者三重周期最小表面(TPMS)细胞都属于这一类。 平板型晶格大多是二维层叠起来的三维结构,比如六角形或者三角形的单元细胞。相比之下它通常更硬一些但也更重。而TPMS就厉害了,它的边界表面在每一点上都有零平均曲率。这种设计灵感来自生物结构,能实现很多跟表面有关的性能,比如导电性或者热导率。 总的来说就是这么个理儿:40%到98%之间孔隙率的金属泡沫是一类蜂窝结构;负泊松比结构能在拉伸时横向扩展;基于三维设计空间排列的是周期性和伪周期性晶格;共形晶格会跟着部件边界变;随机模式的细胞有大小形状的随机变化;混合晶格是不同类型的单元组合;基于支柱的有BCC和FCC等多种形状;基于表面的有平板和TPMS两种类型;TPMS的边界表面有零平均曲率;它能实现功能梯度结构的设计;还能通过加厚或者填充来获得片材或骨架TPMS结构;最后应力集中也会因此减少。