香港科技大学增材制造顶刊：增材制造各向异性金属晶格结构

来源：材料学网

导读：本工作提出了一种可变厚度的三周期最小表面（TPMS）壳晶格的设计方法，以实现均质各向异性构成材料的弹性各向异性。并开发了一种基于梯度的优化方法，该方法采用通用各向异性指数作为目标，可以处理任何正交各向异性晶格，扩展了广泛使用的基于齐纳各向异性比率的方法，但只适用于立方晶格。为了验证所提出的设计方法，通过拉伸试验对微激光粉末床熔融（μLPBF）制造的不锈钢316L（SS316L）的横向各向同性弹性模型进行了校准，然后将其纳入优化方法，以设计弹性各向同性的可变厚度N14、IWP和P壳晶格。

增材制造（AM）制造的金属晶格结构在轻质应用中提供了越来越多的多功能机会，因为金属材料的高机械性能和晶格结构的可调性能相结合。为了满足最大或目标性能等结构要求，许多研究工作致力于晶格结构的晶胞几何形状的设计以及具有出色机械性能的材料。迄今为止，已经从设计的角度实现了广泛的工程力学性能。然而，大多数设计研究考虑了晶格结构的各向同性本构材料，这导致与AM制造的金属材料的性质存在差距，这些材料通常是各向异性的，正如许多实验研究所报道的那样。弥合晶格结构的设计和AM制造之间的差距将有助于实现目标性能，并最大限度地减少设计特性和印刷特性之间的差异。

工艺引起的各向异性是AM制造的金属和合金的各向异性的主要来源之一。逐层的材料沉积过程和热处理导致了各向异性纹理柱状晶粒微结构的形成，并最终导致了材料的各向异性杨氏模量、强度和延展性的不理想。关于金属AM工艺和材料的实验研究已经报告了沿构建方向的机械性能与构建平面内的机械性能不同。一般来说，由于LPBF工艺中快速凝固的性质，通过操纵工艺配置或后热处理来缓解纹理引起的各向异性的能力非常有限。因此，将材料各向异性纳入AM晶格结构的设计方法中是很有必要的。

因为各向同性等效弹性的晶格结构设计非常适用于加载方向未知或变化的应用所以受到了极大的关注，但由于复杂的设计模型和有限的设计空间，在设计弹性各向同性网格时考虑各向异性构成材料的研究很少。这项工作的目的是通过纳入各向异性和同质弹性的构成材料来扩展目前在弹性各向异性晶格上的设计方法，这与金属AM工艺非常吻合。

挑战之一是各向异性的材料降低了所产生的格子的弹性对称性，使得Zenner各向异性的测量方法不适合。为了解决这个问题，应该开发基于更大的设计空间和通用各向异性指数的敏感性分析的设计和优化方法，以实现各向异性材料的格子的弹性各向异性。

在此，香港中文大学宋旭教授团队联合香港科技大学王煜教授团队提出了一种可变厚度的TPMS壳格设计方法，该壳格由各向异性的构成材料制成。首先，通过拉伸试验对SS316L的弹性模型进行标定。其次，为了设计弹性各向同性晶格，他们提出了一种基于梯度的优化方法，其中采用通用各向异性指数作为目标函数，分析得出与壳体厚度有关的敏感性，并根据优化的各向同性晶格指定印刷方向。此外，通过有限元（FE）模拟研究了各向异性材料对不同类型的相对密度的格子的弹性性能的影响，并与各向同性材料制成的格子进行了比较。

相关研究成果以题“Design of elastically isotropic shell lattices from anisotropic constitutive materials for additive manufacturing”发表在Additive Manufacturing上

链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103185

摘要图

图1.（a）N14、（b）IWP和（c）P表面的单元格（顶部）和网格化1/8单元格设计域（底部）。

图2.用于校准μLPBF制造的SS316L的横向各向同性弹性模型的测试方法。

图3.SS316L的校准结果：（a）沿三个测试方向的应力-应变曲线，以及（b）杨氏模量与构建角φ的关系。

图4.（a）标有格子方向的印刷方向和（b）用于压缩测试的印刷格子试样。

图5.弹性各向同性壳格的优化结果：（a）N14（ρ=10.55%），（b）IWP（ρ=15%）和（c）P（ρ=15%）壳格的厚度分布（左边），1/8单元（中间）和单元格（右边）。沿着x-y平面和z方向的不同厚度的相应壳用圆圈突出显示。

图6.各向同性（iso）和横向各向同性（aniso）构成材料制成的均匀和可变厚度壳格的杨氏模量比较。（a, d, g, j） ρ=10.55%的N14格子，（b, e, h, k）)ρ=15%的IWP格子，以及（c, f, i, l）ρ=15%的P格子。（a-c）显示了晶格沿[100]-[101]-[001]方向的相对杨氏模量的反极图（d-l）。

图7.（a）可变厚度的N14壳格的顶面和（b）侧面的SEM图像。底行是按设计的模型和放大的SEM视图的比较。

图8.顶面、侧面和底面的表面形态和粗糙度。

图9.均匀厚度N14壳格（"Uniform"）、基于各向同性构成材料的可变厚度设计（"Variable （iso）"）和基于横向各向同性构成材料的拟议可变厚度设计（"Variable （aniso）"）沿九个方向的测试杨氏模量比较：（a）相对杨氏模量E/（ρEx），以及（b）标准化杨氏模量E/Emax。

总而言之，这项工作提出了一种可变厚度的TPMS壳体格子的设计方法，以便从均匀的各向异性构成材料中实现弹性各向异性。在通用各向异性指数的基础上，开发了一种基于梯度的优化方法。该方法可以实现各种类型的TPMS晶格的弹性各向异性。通过设计弹性各向同性的N14、IWP和P壳晶格，用数值证明了所提方法的有效性。