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金属3D打印:晶格激发产品重塑

2016-12-13 11:22
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  增材制造技术的一大特点对复杂细节的制造能力,晶格结构就是最典型一种复杂结构。不仅仅起到轻量化的作用,还可以使结构获得材料最低填充量的同时满足结构刚性的需求,并且还可以吸收冲击能量以减缓振动或者达到噪声绝缘的目的。

 

图片来源:雷尼绍

  晶格结构的超轻型结构适合用在抗冲击/爆炸系统、或者充当散热介质、声振、微波吸收结构和驱动系统,所以说晶格可以是非常有用的,本期小编通过雷尼绍等几家公司的一些研究来探讨金属3D打印过程中晶格的应用,从而感受设计和制造晶格的挑战。

  晶格的微妙画风

  轻量化

  晶格是轻量化的一大贡献,通过消除不必要的材料,同时为刚性要求高的部分提供更坚实的晶格结构,减少材料浪费。在设计轻量化结构零件时,需要结合整个零件的功能实现,综合考虑空隙精度、空隙率、空隙形状、空隙大小、孔分布以及相互之间连通性等因素。

图片来源:HiETA Technologies

  上图是直升机排气喷嘴冷却结构的原型, 是HiETA Technologies设计和制造的,材料为Inconel 625合金。 晶格用在该结构中提供结构刚度和热传递作用。轻量化的设计不仅仅通过减少材料的浪费来降低构件的成本,由于较短的构建时间,使得加工成本也降低了(考虑到增材制造设备的使用寿命与折旧因素)。

减重效果,图片来源:雷尼绍

  功能晶格

  除了减重,晶格结构也可以带有功能性的作用,包括能量吸收、热绝缘、热交换、生物相容这样的功能。

  能量吸收

  一个有前途的应用领域是能量的吸收,晶格的两种动态属性,其中一种是压缩属性,另一种是晶格结构的弹性属性。在加载了冲击之后,弹性和压缩行为表现出了快速的集体反应。通过对晶格材料的定制化设计,特别是针对应用的具体需要,精确设计制造特殊的晶格材料。

  晶格结构的变形特性取决于其几何特征(拉伸或弯曲为主) 和构成材料(特别是其延展性)。 在这个领域,英国的谢菲尔德大学做过详细的研究:《Energy absorption in lattice structures in dynamics: Experiments》(《动力学中的晶格结构的能量吸收》)。

  热绝缘

  通过一个晶格结构的产品的重量占无晶格结构的产品的重量比就可以知道其余的部分是充满空气的。孔隙率对限制热传导是有用的。 热量通常通过金属部分快速传导出来,而无疑那些有着更加复杂的晶格结构的设计使得热量的传导变得蜿蜒曲折。

  而通过空气传导的热量则比金属低得多,因为一个一个的小格中对流得不到建立,气体被困在格与格的支柱之间, 相对较少的热量会通过气体传导出来,但气体的传导系数比金属低得多。

  热交换

  晶格使得冷却器具有很高的比表面积,可以用来将热气流的热量转移到周围的空气中。 另外一个思路,如果金属中充满了热量,通过充满冷空气,也可以快速带走金属的热量。

图:Swansea大学学生设计的方程式赛车散热器

  除了赛车的散热器,另外,在上面轻量化的直升机排气喷管的例子中,晶格结构用于传热,热废气流动起来通过中央通道,而较冷的气体从转子下沉气流穿过周围晶格,从而降低直升机的排气温度。

  多孔表面

  整形外科植入物通常需要多孔的表面设计以促进骨结合,植入物的表面覆盖着一个精心设计的层格,使得活骨细胞生长进来。

图片来源:Betatype

  上图是雷尼绍AM250加工出来的髋臼杯,通过欧特克的within创成式设计软件和Betatype的晶格设计软件设计出来。

  可以说,晶格具有许多吸引人的特质,尽管他们的复杂性和微妙对设计和制造带来不小的挑战。在这里,小编仅仅起到抛砖引玉的作用。

  晶格设计

  大部分晶格材料是由阵列的细长构件组成,类似于我们熟悉的轻量级超级结构如桥梁和建筑物的框架,但显然是在非常小的尺度。 这些复杂的细观结构可以产生附加长度尺度从微米到毫米的变化。

图片来源:雷尼绍

  上图为不同尺度的体心立方晶格的不同尺度。 具体达到多小,与激光的光斑直径和粉末粒度有关,本图中最小的为70微米的激光光斑加工出来的。

  晶格结构的分布可以是大小均一的也可以是不规则的,旨在提供同质或异质的特性。 不同的分布可以改变整个晶格体积调整其性能,特别是不同位置其密度和刚度情况。

图片来源:Betatype

  上图是英国的帝国理工学院医学工程团队通过雷尼绍的AM250加工出来的股骨截面,股骨的骨小梁形成一个优雅的内部三维格子,模仿天然骨的结构。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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