北理工：微點陣圓柱殼結(jié)構(gòu)的原位同步X射線斷層掃描研究

來源：摩方精密

輕質(zhì)的點陣超材料在散熱、隔音、承載和能量吸收領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。近年來，具有仿生結(jié)構(gòu)特征的新型微點陣殼體曲面結(jié)構(gòu)，尤其是基于三周期最小曲面的微點陣殼結(jié)構(gòu)得到學術(shù)界和工業(yè)部門的廣泛關(guān)注。相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)這類微點陣殼結(jié)構(gòu)在吸收能量方面顯著優(yōu)于同等重量的微點陣桁架結(jié)構(gòu)。然而，目前關(guān)注度高的微點陣殼結(jié)構(gòu)主要是在笛卡爾坐標系下設(shè)計的周期性排布最小曲面的立方殼結(jié)構(gòu)，在很多具有圓柱構(gòu)型的工程裝備應(yīng)用中具有一定的局限性，而基于三周期最小曲面的微點陣圓柱殼結(jié)構(gòu)鮮有報道。

伴隨著3D打印行業(yè)的發(fā)展，越來越多的3D打印技術(shù)被用于微點陣結(jié)構(gòu)的制備與相關(guān)力學研究。然而，制造過程中不可避免地都會在材料內(nèi)部產(chǎn)生隨機的幾何缺陷，這些缺陷將會對宏觀結(jié)構(gòu)的力學性能產(chǎn)生較大的影響。目前，已有大量關(guān)于選擇性激光熔融技術(shù)或者電子束熔融技術(shù)的制造缺陷對結(jié)構(gòu)力學性能影響的報道。但是對于具有更小尺度的、更高精度的微點陣結(jié)構(gòu)，特別是結(jié)構(gòu)更為復雜的三周期最小曲面的微點陣殼結(jié)構(gòu)，受限于其加工難度，鮮少有其相關(guān)的缺陷力學影響研究。而面投影立體光刻技術(shù)（PμSL）的出現(xiàn)，其亞微米級的光學精度可以促使更加精細、微小尺寸的微點陣結(jié)構(gòu)得到精準制備，極大地推動了微點陣結(jié)構(gòu)在多功能化的進展。

基于上述背景，北京理工大學李營課題組、上海交通大學吳文旺課題組研究了采用PμSL 3D打印技術(shù)（2μm光學精度打印系統(tǒng)nanoArch S130，摩方精密）制備的基于三周期最小曲面的微點陣圓柱殼結(jié)構(gòu)（P-TPMS）的力學行為。同時采用原位同步X射線斷層掃描三維成像技術(shù)和間斷原位壓縮實驗來量化缺陷對壓縮力學性能的影響。研究結(jié)果表明，沿垂直方向的厚度大于沿水平方向的厚度。另外，為了明確制造缺陷對力學行為的影響，研究團隊建立了三種不同的有限元分析模型。仿真結(jié)果表明，與理想模型和真實幾何重建模型相比，統(tǒng)計模型具有更高的精度和效率。最后，針對厚度缺陷對殼體力學性能的影響進行了參數(shù)化的研究。該研究成果，以“In-situ synchrotron X-ray tomography investigation of the imperfect smooth-shell cylinder structure”為題發(fā)表在Composite Structures上。

原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.113926.

圖1. (a) P-TPMS微點陣圓柱殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計示意圖；(b) 打印模型示意圖 (c) 相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

圖2. 打印過程示意圖（nanoArchS130，摩方精密）

圖3 打印樣件的光學顯微鏡圖片

圖4. 原位同步X射線斷層掃描設(shè)備

表格：三種模型的性能參數(shù)與計算時間