文／白晶斐·成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，航空裝備制造產(chǎn)業(yè)學(xué)院

季節(jié)·蘇州博理新材料科技有限公司

邵長(zhǎng)偉·瀘州豪能傳動(dòng)技術(shù)有限公司

宋海川·華東師范大學(xué)

桁架晶格作為一種特殊的空間結(jié)構(gòu)，以其輕量化、高強(qiáng)度和設(shè)計(jì)靈活性等優(yōu)點(diǎn)在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文利用晶格設(shè)計(jì)軟件創(chuàng)建了多種單晶胞和陣列晶格模型，并通過(guò)SLM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鋁合金桁架晶格結(jié)構(gòu)的制造。在相同的SLM 成形參數(shù)下，應(yīng)優(yōu)先選擇那些沒有或具有較小橫向桿結(jié)構(gòu)的陣列晶格。

輕量化可以通過(guò)材料輕量化、設(shè)計(jì)輕量化和結(jié)構(gòu)輕量化來(lái)實(shí)現(xiàn)。材料輕量化目前主要體現(xiàn)在鋁、鎂、鈦合金以及復(fù)合材料的大量應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)，但是設(shè)計(jì)輕量化和結(jié)構(gòu)輕量化由于傳統(tǒng)制造工藝的限制目前進(jìn)展不大，而3D 打印(增材制造技術(shù))為設(shè)計(jì)輕量化和結(jié)構(gòu)輕量化開辟了新的途徑，其中晶格結(jié)構(gòu)作為增材制造特有的結(jié)構(gòu)輕量化已在航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域大量應(yīng)用。

鋁合金以其輕質(zhì)、高強(qiáng)度和良好的加工性能在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。增材制造技術(shù)為鋁合金的制造提供了新的途徑，可以制造出傳統(tǒng)加工方法難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。在鋁合金的應(yīng)用中，桁架晶格結(jié)構(gòu)可以通過(guò)增材制造技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。鋁合金的輕質(zhì)、高強(qiáng)度和良好的可加工性使其成為桁架晶格結(jié)構(gòu)的理想材料之一。通過(guò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化桁架晶格結(jié)構(gòu)，可以制造出既輕便又強(qiáng)大的鋁合金部件，適用于航空航天、汽車、建筑和其他需要高性能輕量化結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域。其中多孔結(jié)構(gòu)是具有高強(qiáng)度和高韌性的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、醫(yī)療等領(lǐng)域。但傳統(tǒng)的制造方式曾制約其發(fā)展，近些年隨著增材制造技術(shù)的日益成熟，已經(jīng)可以基本滿足多孔結(jié)構(gòu)的制造成形需求。

增材制造中的晶格結(jié)構(gòu)都基于一個(gè)晶胞單元在多個(gè)方向上重復(fù)疊加最終構(gòu)成一個(gè)整體。如圖1 所示，常見的晶格類別有三類。①TPMS 點(diǎn)陣三重周期性最小表面，如圖1 所示。TPMS 當(dāng)使用三角方程生成晶胞時(shí)，會(huì)創(chuàng)建例如“gyroid”。TPMS 單元由單元內(nèi)的所有點(diǎn)組成，像這樣的不同但相似的方程會(huì)產(chǎn)生不同的TPMS 晶格類型。②桁架晶格，如圖2 所示，由相互連接的梁組成，按照單元格定義的各種模式連接起來(lái)。桁架可以通過(guò)立方體單元的頂點(diǎn)、邊和面連接起來(lái)，這些連接點(diǎn)的不同組合會(huì)產(chǎn)生不同的類型。③平面晶格，如圖3 所示，平面晶格是最簡(jiǎn)單的晶格類型，是在將2D 晶胞擠壓成3D 時(shí)創(chuàng)建的。最常見的平面晶格類型是蜂窩結(jié)構(gòu)。通過(guò)在不同方向上隨機(jī)改變其參數(shù)，這些類型的晶格中的每一種也可以從周期性晶格變?yōu)殡S機(jī)晶格。通過(guò)在每個(gè)方向上賦予結(jié)構(gòu)相似的特性(使其各向同性)，使其在某些應(yīng)用中可能更具優(yōu)勢(shì)。

圖1 TPMS 點(diǎn)陣三重周期性最小表面

圖2 桁架晶格

圖3 平面晶格

桁架晶格是目前機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域最常用晶格類型，桁架晶格是多孔結(jié)構(gòu)的一種，由于結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單而得到了非常廣泛的應(yīng)用。為了深入了解鋁合金的增材制造成形過(guò)程并優(yōu)化其性能，本文研究了鋁合金桁架金晶格結(jié)構(gòu)的模型建立與增材制造成形。

鋁合金桁架晶格結(jié)構(gòu)模型建立

桁架晶格結(jié)構(gòu)

桁架晶格(Truss Lattice)是一種特殊的空間結(jié)構(gòu)，由一系列相互連接的桿件組成，用于形成穩(wěn)固的框架。這種結(jié)構(gòu)類似于建筑中的桁架，旨在通過(guò)最小的材料使用量提供最大的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在材料科學(xué)中，尤其是增材制造領(lǐng)域，桁架晶格結(jié)構(gòu)被用作一種輕量化和增強(qiáng)結(jié)構(gòu)性能的策略。

在桁架晶格中，桿件通常以三角形、四邊形或其他多邊形形狀排列，這些形狀能夠有效地分散和抵抗外部力量。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)允許在保持結(jié)構(gòu)完整性的同時(shí)減少材料的使用，從而實(shí)現(xiàn)輕量化。

桁架晶格的優(yōu)缺點(diǎn)

桁架晶格的優(yōu)勢(shì)顯著，主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：首先，其輕量化設(shè)計(jì)使得在保持結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的同時(shí)，能夠顯著減少材料的使用，實(shí)現(xiàn)高效資源利用；其次，桁架結(jié)構(gòu)具備出色的強(qiáng)度特性，能夠有效分散外力，減少應(yīng)力集中，從而顯著增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的承載能力；再者，桁架晶格的設(shè)計(jì)極具靈活性，可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整桿件的形狀、尺寸和布局，輕松適應(yīng)各種應(yīng)用場(chǎng)景和性能要求；最后，借助先進(jìn)的增材制造技術(shù)，如選擇性激光熔化或電子束熔化成形，制造復(fù)雜的桁架晶格結(jié)構(gòu)變得輕而易舉，進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域。

桁架晶格的單晶胞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用蘇州博理自研的Super Designer 晶格設(shè)計(jì)軟件，其中關(guān)于桁架晶格規(guī)劃了11 種單晶胞樣式，如圖4 所示。其中單晶胞的三維尺寸為10mm×10mm×10mm，其中桿徑為1.2mm。

圖4 11 種單晶胞樣式

桁架晶格的陣列結(jié)構(gòu)模型

通過(guò)三維建模軟件建立30mm×30mm×30mm的正方體模型，導(dǎo)出stl 文件作為晶格體母體模型，利用Super Designer 軟件輸入導(dǎo)出的母體文件，設(shè)置UVW 三方的參數(shù)均為3 個(gè)，桿徑采用單晶胞的參數(shù)來(lái)執(zhí)行，最終生成如圖5 所示的11 種陣列晶格模型。結(jié)構(gòu)尺寸在X、Y、Z三個(gè)方向均相同，桿徑為1.2mm，桁架晶格的每個(gè)桿徑，同一個(gè)桁架晶格的直徑相同。

圖5 11 種陣列晶格樣式

鋁合金桁架晶格SLM 成形

激光選區(qū)熔化方法

激光選區(qū)熔化(selective laser melting，SLM)是一種金屬粉末在高能束激光作用下完全熔化、快速凝固、逐層堆積的金屬材料直接增材制造方法。SLM 成形原理如圖6 所示，高能束激光沿成形方向移動(dòng)過(guò)程中，激光光斑中心區(qū)域金屬粉末以及已凝固部分金屬熔化后形成新的熔池，熔池快速凝固后形成零件新的表面，而位于熱影響區(qū)的已凝固金屬在激光移動(dòng)中經(jīng)歷多次的快速加熱及冷卻。

圖6 SLM 成形原理

鋁合金激光選區(qū)熔化工藝

本試驗(yàn)采用真空感應(yīng)熔煉氣霧化AlSi10Mg 鋁合金粉末，鋁作為基材。激光選區(qū)熔化成形設(shè)備為西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)的BLT-A100，如圖7所示。設(shè)備激光最大輸出功率500W，成形零件最大尺寸160mm×160mm×100mm。

圖7 激光選區(qū)熔化成形設(shè)備

鋁合金桁架晶格SLM 成形過(guò)程

本次試驗(yàn)共打印11 種桁架晶格結(jié)構(gòu)，零件擺放位置如圖8 所示，主要工藝參數(shù)為激光功率200W、掃描速率1000mm/s，實(shí)際打印時(shí)長(zhǎng)7小時(shí)13分58秒。圖9 為首層打印的晶格狀態(tài)，圖10 為打印完成后未取基板的狀態(tài)。

圖8 切片預(yù)覽圖

圖9 首層打印圖

圖10 打印完成未拆基板

鋁合金桁架晶格SLM 成形評(píng)價(jià)

桁架晶格成形后如圖11 所示，晶格陣列體外觀基本成形。微觀觀察各陣列結(jié)構(gòu)模型，各晶胞陣列晶格結(jié)構(gòu)見圖12，其中Tesseract 陣列晶格、Star 陣列晶格、Cross 陣列晶格、Box 陣列晶格、Octet 陣列晶格均出現(xiàn)了斷裂和裂縫的成形現(xiàn)象，其中Voronoi陣列晶格結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了桁架結(jié)構(gòu)中橫向的桿底部結(jié)構(gòu)不完整的情況，而X 陣列晶格、Vintiles 陣列晶格、Terak-Hedron 陣列晶格、Diamond 陣列晶格、Fluorite陣列晶格成形質(zhì)量較好。

圖11 桁架晶格成形圖

圖12 不同晶格結(jié)構(gòu)

在相同的激光選區(qū)熔化(SLM)成形參數(shù)條件下，對(duì)各類桁架晶格結(jié)構(gòu)的成形結(jié)果進(jìn)行了深入分析。通過(guò)對(duì)比不同晶格結(jié)構(gòu)的特征，發(fā)現(xiàn)Voronoi、Tesseract、Star、Cross、Box 以及Octet 等陣列晶格由于存在較長(zhǎng)的橫向桿結(jié)構(gòu)，在成形過(guò)程中容易出現(xiàn)不同程度的缺陷。這些缺陷中，較輕的表現(xiàn)為桿直徑的不均勻性，而較嚴(yán)重的則直接導(dǎo)致桿的斷裂。相對(duì)而言，X、Vintiles、Terak-Hedron、Diamond 以及Fluorite等陣列晶格的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于其主體與基板方向形成了45°～60°的夾角。特別是Terak-Hedron 陣列晶格，其橫向桿結(jié)構(gòu)較小，因此這些晶格在成形過(guò)程中能夠保持較為完整的特征，成形質(zhì)量較高。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，為了在相同的SLM 成形參數(shù)下獲得更好的晶格特征，應(yīng)優(yōu)先選擇那些沒有或具有較小橫向桿結(jié)構(gòu)的陣列晶格。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于優(yōu)化鋁合金桁架晶格結(jié)構(gòu)的SLM 成形工藝，以及推動(dòng)其在高性能輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。