研究人员研究负载率对金属3D打印蜂窝晶格结构的影响

2024年5月15日，南极熊获悉，爱尔兰利默里克大学（University of Limerick）的研究人员评估了金属3D打印蜂窝晶格在以不同速率施加压力时的机械性能。

△研究成果已发表已在《工程结构》杂志上，题目为“加载速率对增材制造316L钢蜂窝结构面内压缩性能的影响”(传送门)

该团队使用激光粉末床熔融（LPBF）和材料挤压（ME）方法，用316L不锈钢对这些结构进行了3D打印。然后进行了实验，以确定不同的负载率对金属晶格的影响，尤其是对使用材料挤压生产的金属晶格的影响。

通过这项测试，研究报告的作者Solomon Obadimu博士和副教授Kyriakos Kourousis希望能够消除人们对于材料挤压金属3D打印理解上的差距。具体来说，他们试图确定材料挤压是否可用于生产可靠的金属结构，以及它们的机械性能是否与使用LPBF生产的金属结构不同。

△蜂窝、面内（X1 和 X2）和面外（X3）加载方向的示意图

负载率对金属3D打印蜂窝的影响

Obadimu和Kourousis称，金属增材制造是一种在许多工业应用中越来越多地采用的技术，并引起了学术研究人员越来越多的关注，这种关注主要集中在LPBF技术上。因此，对其它方法（如材料挤压）的了解还存在差距，材料挤压可以提供一种经济实惠的方法来替代基于激光的方法。

研究人员试图通过评估准静态负载率对材料挤压3D打印金属蜂窝晶格的影响来弥补这一差距。在实际应用中，这些结构通常会承受巨大的压缩压力。

在之前的研究中，利默里克大学的研究人员强调了蜂窝的关键特征，如蜂窝壁厚度、蜂窝大小和相对密度，与其压缩行为相关。这包括利用经验模型和方程式预测它们在压力下的性能。   

在这些研究成果的基础上，研究人员利用材料挤压3D打印技术生产出了蜂窝尺寸从6毫米到7毫米不等的金属蜂窝结构。研究人员还使用LPBF 3D打印出了单个尺寸为2.45毫米的蜂窝，并将其与使用材料挤压制作的部件进行了比较。

然后以0.5毫米/分钟和600毫米/分钟的速度对3D打印蜂窝的侧面施加压缩载荷。在测试过程中，使用DIC观察和分析了晶格的破坏模式。

△承受压缩载荷的蜂窝示意图

研究人员强调了此次测试的一些重要发现。首先，材料挤压和激光粉末床熔融3D打印的蜂窝都受到压缩速度的影响。单位体积吸收的能量、屈服应力和压缩应力的增加与加载速度的增加直接相关。然而，结构的弹性模量和致密化应变并未随着压缩速度的变化而改变。

对于使用材料挤压3D打印的蜂窝，研究人员还发现，密度和刚度较高的较小蜂窝（6毫米）在压缩时表现出比较大的蜂窝（6.5毫米和7毫米）更大的强度。研究还指出，在压缩过程中温度的升高会导致热软化。

此外，DIC数字图像显示，蜂窝的变形方式取决于压缩速度。研究人员观察到三种特殊的变形模式，其中包括垂直的"I"形、"X"形带和对角剪切型变形。

△不同负载率下单元尺寸6.0 mm、6.5 mm和7.0 mm的材料挤压蜂窝体的屈服应力、压缩应力和弹性模量(EH)实验结果

最后，研究发现，相同形状和尺寸的蜂窝对负载率的敏感性可能会有所不同。Obadimu和Kourousis还得出结论，结构的压缩行为受到3D打印工艺的影响。例如，用挤压材料制作的蜂窝在压缩时表现出更大的差异性。

在实验分析之后，研究人员还利用现有的经验模型验证了他们的发现，这些模型在很大程度上反映了实验结果。研究报告的作者还提出了一个新模型，该模型考虑了压缩加载过程中准静态加载状态下的应变率效应。实际上，新模型可以让研究人员更好地预测结构在压力下以非常缓慢的速度压缩时的反应。