3D打印胞元结构建模的六大挑战

3D打印的一大优势是灵活性以及打印成本对产品的复杂性不敏感，这也是复杂的胞元结构成为3D打印领域的一大热门研究方向的主要原因。之前南极熊报道过对3d打印部件进行拓扑优化，而且我们都知道使用切片软件进行切片时可以选择蜂窝状填充。就像建筑用的空心砖，胞元的应用减少了材料的使用，有效帮助实现轻量化，而与此同时，如何保证仍然满足力学性能的要求，则成为建模界“才下眉头、却上心头”萦绕不散的要紧事。

力学的事儿，结构大作为

1 连续建模
当你把材料均匀的分散在每个结构点上，你可能会觉得这些点阵上的材料特性也是一样的。然而，忽略那些蜂窝结构中的连接支柱/节点部分的研究将带来错误的建模或者是打印过程。那些各向异性是在建模过程中就需要考虑的因素，而诸如表面粗糙度、局部结构或尺寸公差这些问题在小于1毫米厚的连接部位变得尤为突出，与此同时对加工工艺的了解变得尤为重要，通常情况下相同的几何形状，在不同的工艺条件下产生明显不同的结果。

图：蜂窝结构压缩下弹性应变不均匀的地方

2 大小的影响
尺寸效应是显著的，包括尺寸函数变化都是门高深的学问。 如何在蜂窝结构材料中实现精确、均匀和各向同性材料，不仅仅是个数学问题。以弹性模量为例，这个属性的提取强烈地依赖于参与实验表征过程中的胞元数量。考虑到实验工作的进行，改变多轴向和纵向胞元的分布，下图的测试样品由六边形蜂窝组成。研究这些胞元的大小如何影响产品的性能，这是一个重大的挑战，或者说这本身就可以成为一门学科，由此还延伸出另外一个问题，表征胞元特性的正确样本设计是什么？

图：压力显示结构与胞元数有很强的相关性

3 接触效应
在压力试验中结构件顶部和底部的力学分布与位于结构件中间的可能是大不相同的，通过调整胞元的设计可以达到更好的力学压力分配。

图：压力分配情况

4 宏观结构的影响
不仅仅微观分布对宏观结构的力学性能带来影响，另一方面，宏观结构也会对微观结构带来影响，包括非常高的纵横比，在宏观变形包括宏观层面上引起的弯曲通常带来胞元的力学性能的变化。

5 尺寸公差的影响
虽然所有的制造过程中都允许一定程度的尺寸公差，但是这些尺寸误差用在含胞元结构的产品上可能带来非常显著的作用。在这里，3D科学谷拿一个典型的工业3D打印过程来说，公差在75微米（0.003″）的蜂窝结构（特别是微格）往往带来250-750微米的厚度公差。这些被“放大”的错误使得设计和制造都面临着双重的挑战，而且还需要通过渗透到内部的测量手段，包括X射线扫描。不仅仅是昂贵的检测方法，除了对建模的高要求，针对增材制造的高效仿真分析软件变得尤为重要。

图：0.004″的尺寸公差带来7%的厚度错误

6 细观结构的影响
增材制造的分层打印特性引入了一系列的挑战，拿激光粉末床融化过程举例，悬垂面与水平面的角度往往带来不同程度的表面情况，体现在蜂窝结构中，可能导致在不同的打印方向上的不同厚度结果。

图：打印方向影响的打印结果

来源：3D科学谷
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