近年來(lái)，隨著金屬3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，多孔結(jié)構(gòu)領(lǐng)域受到越來(lái)越多的研究人員關(guān)注，多孔結(jié)構(gòu)材料因?yàn)槠湓谔囟I(lǐng)域具有良好的抗壓性、質(zhì)量輕、密度低、比表面積大、比剛度高、熱導(dǎo)率高等優(yōu)良的綜合物理力學(xué)性能，已成為一種新穎的功能結(jié)構(gòu)材料，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、航空航天、智能機(jī)器人、催化劑載體、消音器、換熱和阻燃器等領(lǐng)域。
圖1 多孔結(jié)構(gòu)在生物醫(yī)療中的應(yīng)用
多孔結(jié)構(gòu)材料是一類包含大量孔隙的材料，主要由形成材料本身基本構(gòu)架的連續(xù)固相和形成孔隙的流體相所組成。多孔材料中的孔隙是設(shè)計(jì)者和使用者所希望出現(xiàn)的功能相，它們?yōu)椴牧系男阅芴峁﹥?yōu)化作用。多孔材料須具備以下兩個(gè)要素：一是材料中包含大量的孔隙；二是所含孔隙被用來(lái)滿足某種或某些設(shè)計(jì)要求以達(dá)到所期待的使用性能指標(biāo)。多孔材料按照材質(zhì)組成的不同，主要分為多孔金屬、多孔陶瓷和泡沫塑料。一般的有機(jī)和陶瓷等多孔體總是難以同時(shí)滿足強(qiáng)度、塑性、高溫等使用條件的要求，多孔金屬材料在一定程度上彌補(bǔ)了以上各類多孔材料的不足，從而得到了迅速的發(fā)展。
圖2 多孔結(jié)構(gòu)單元
圖3 三種多孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化迭代過(guò)程
隨著多孔結(jié)構(gòu)材料需求逐漸擴(kuò)大，越來(lái)越多的企業(yè)逐漸關(guān)注起參數(shù)化多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用發(fā)展。部分在金屬3D打印多孔結(jié)構(gòu)領(lǐng)先的高新技術(shù)企業(yè)，都已經(jīng)在多孔材料方面取得突破。廣州雷佳增材科技有限公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)利用SLM技術(shù)制備了采用體心立方結(jié)構(gòu)的CuSn/18Ni300的雙金屬均勻多孔結(jié)構(gòu)，并通過(guò)壓縮試驗(yàn)對(duì)其壓縮行為和能量吸收行為進(jìn)行了研究。該結(jié)構(gòu)兼具CuSn合金具有良好的導(dǎo)熱性、延展性和耐腐蝕性，以及18Ni300馬氏體時(shí)效鋼的高強(qiáng)度特性，可應(yīng)用于功能集成組件。
圖4 多孔結(jié)構(gòu)材料及壓縮性能
廣州雷佳增材科技有限公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出利用Rhinoceros插件Grasshopper中進(jìn)行參數(shù)化多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整輸入?yún)?shù)來(lái)改變所設(shè)計(jì)多孔結(jié)構(gòu)的類型、孔隙率、表面積體積比和平均孔徑，將參數(shù)化建模方法應(yīng)用于醫(yī)學(xué)植入物中，設(shè)計(jì)參數(shù)化多孔植入物，達(dá)到快速建模的效果，如圖5所示。
圖5 雷佳增材參數(shù)化多孔結(jié)構(gòu)建模
廣州雷佳增材科技有限公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為根據(jù)其斷裂性質(zhì)又分為脆性斷裂多孔結(jié)構(gòu)和延性壓實(shí)失效多孔結(jié)構(gòu)，其原因主要與材料相關(guān)，3D打印后為脆性多孔結(jié)構(gòu)（45度斷裂特征）主要有Ti6Al4V多孔、鋁合金多孔，3D打印后為延性壓實(shí)失效多孔結(jié)構(gòu)主要有316L多孔結(jié)構(gòu)、18Ni-300多孔結(jié)構(gòu)等。根據(jù)多孔結(jié)構(gòu)是否具有孔隙率的變化又可以分為均勻多孔結(jié)構(gòu)和梯度多孔結(jié)構(gòu)，這兩種多孔結(jié)構(gòu)的壓縮行為也是不同的。均勻多孔結(jié)構(gòu)的壓縮過(guò)程一般為均勻壓縮，而梯度多孔結(jié)構(gòu)（沿著壓縮軸向梯度）壓縮過(guò)程一般為逐層壓縮，這主要與孔隙率的變化有關(guān)。
圖6 功能梯度材料中局域性能與位置的關(guān)系以及天然生物材料中的基本功能梯度設(shè)計(jì)形式與原則
根據(jù)多孔結(jié)構(gòu)的壓縮曲線的特征又可以分類為拉伸主導(dǎo)型多孔結(jié)構(gòu)和彎曲主導(dǎo)型多孔結(jié)構(gòu)。根據(jù)壓縮曲線特征可分為四個(gè)區(qū)域：彈性區(qū)域（I），彈塑性崩潰（II），塑性崩潰或不穩(wěn)定的應(yīng)力區(qū)域（III）和致密化（IV）區(qū)域。彎曲主導(dǎo)型的多孔結(jié)構(gòu)壓縮曲線有應(yīng)變硬化趨勢(shì)，而拉伸主導(dǎo)型多孔結(jié)構(gòu)的壓縮曲線在達(dá)到第一抗壓強(qiáng)度峰值后回落形成應(yīng)變軟化區(qū)域。
圖7 （a）彎曲主導(dǎo)型和（b）拉伸主導(dǎo)型的多孔結(jié)構(gòu)的壓縮行為示意圖。
圖8 廣州雷佳增材科技有限公司多孔結(jié)構(gòu)樣品
金屬3D打印制備多孔結(jié)構(gòu)適用的材料范圍廣，可以制備復(fù)雜的外形, 內(nèi)部宏觀孔隙可控，研制周期短、成本低、材料利用率高，因而顯示出巨大的潛力。未來(lái)，雷佳增材將大力研發(fā)多孔結(jié)構(gòu)材料，不斷的深化3D打印在多孔結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展，推動(dòng)參數(shù)化多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在生物醫(yī)學(xué)、航空航天、智能機(jī)器人等領(lǐng)域應(yīng)用。轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
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