香港科技大學(xué)增材制造頂刊：增材制造各向異性金屬晶格結(jié)構(gòu)

來源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：本工作提出了一種可變厚度的三周期最小表面（TPMS）殼晶格的設(shè)計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)均質(zhì)各向異性構(gòu)成材料的彈性各向異性。并開發(fā)了一種基于梯度的優(yōu)化方法，該方法采用通用各向異性指數(shù)作為目標(biāo)，可以處理任何正交各向異性晶格，擴(kuò)展了廣泛使用的基于齊納各向異性比率的方法，但只適用于立方晶格。為了驗(yàn)證所提出的設(shè)計(jì)方法，通過拉伸試驗(yàn)對(duì)微激光粉末床熔融（μLPBF）制造的不銹鋼316L（SS316L）的橫向各向同性彈性模型進(jìn)行了校準(zhǔn)，然后將其納入優(yōu)化方法，以設(shè)計(jì)彈性各向同性的可變厚度N14、IWP和P殼晶格。

增材制造（AM）制造的金屬晶格結(jié)構(gòu)在輕質(zhì)應(yīng)用中提供了越來越多的多功能機(jī)會(huì)，因?yàn)榻饘俨牧系母邫C(jī)械性能和晶格結(jié)構(gòu)的可調(diào)性能相結(jié)合。為了滿足最大或目標(biāo)性能等結(jié)構(gòu)要求，許多研究工作致力于晶格結(jié)構(gòu)的晶胞幾何形狀的設(shè)計(jì)以及具有出色機(jī)械性能的材料。迄今為止，已經(jīng)從設(shè)計(jì)的角度實(shí)現(xiàn)了廣泛的工程力學(xué)性能。然而，大多數(shù)設(shè)計(jì)研究考慮了晶格結(jié)構(gòu)的各向同性本構(gòu)材料，這導(dǎo)致與AM制造的金屬材料的性質(zhì)存在差距，這些材料通常是各向異性的，正如許多實(shí)驗(yàn)研究所報(bào)道的那樣。彌合晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和AM制造之間的差距將有助于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能，并最大限度地減少設(shè)計(jì)特性和印刷特性之間的差異。

工藝引起的各向異性是AM制造的金屬和合金的各向異性的主要來源之一。逐層的材料沉積過程和熱處理導(dǎo)致了各向異性紋理柱狀晶粒微結(jié)構(gòu)的形成，并最終導(dǎo)致了材料的各向異性楊氏模量、強(qiáng)度和延展性的不理想。關(guān)于金屬AM工藝和材料的實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)報(bào)告了沿構(gòu)建方向的機(jī)械性能與構(gòu)建平面內(nèi)的機(jī)械性能不同。一般來說，由于LPBF工藝中快速凝固的性質(zhì)，通過操縱工藝配置或后熱處理來緩解紋理引起的各向異性的能力非常有限。因此，將材料各向異性納入AM晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法中是很有必要的。

因?yàn)楦飨蛲�性等效彈性的晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常適用于加載方向未知或變化的應(yīng)用所以受到了極大的關(guān)注，但由于復(fù)雜的設(shè)計(jì)模型和有限的設(shè)計(jì)空間，在設(shè)計(jì)彈性各向同性網(wǎng)格時(shí)考慮各向異性構(gòu)成材料的研究很少。這項(xiàng)工作的目的是通過納入各向異性和同質(zhì)彈性的構(gòu)成材料來擴(kuò)展目前在彈性各向異性晶格上的設(shè)計(jì)方法，這與金屬AM工藝非常吻合。

挑戰(zhàn)之一是各向異性的材料降低了所產(chǎn)生的格子的彈性對(duì)稱性，使得Zenner各向異性的測(cè)量方法不適合。為了解決這個(gè)問題，應(yīng)該開發(fā)基于更大的設(shè)計(jì)空間和通用各向異性指數(shù)的敏感性分析的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法，以實(shí)現(xiàn)各向異性材料的格子的彈性各向異性。

在此，香港中文大學(xué)宋旭教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合香港科技大學(xué)王煜教授團(tuán)隊(duì)提出了一種可變厚度的TPMS殼格設(shè)計(jì)方法，該殼格由各向異性的構(gòu)成材料制成。首先，通過拉伸試驗(yàn)對(duì)SS316L的彈性模型進(jìn)行標(biāo)定。其次，為了設(shè)計(jì)彈性各向同性晶格，他們提出了一種基于梯度的優(yōu)化方法，其中采用通用各向異性指數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)，分析得出與殼體厚度有關(guān)的敏感性，并根據(jù)優(yōu)化的各向同性晶格指定印刷方向。此外，通過有限元（FE）模擬研究了各向異性材料對(duì)不同類型的相對(duì)密度的格子的彈性性能的影響，并與各向同性材料制成的格子進(jìn)行了比較。

相關(guān)研究成果以題“Design of elastically isotropic shell lattices from anisotropic constitutive materials for additive manufacturing”發(fā)表在Additive Manufacturing上

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103185

摘要圖

圖1.（a）N14、（b）IWP和（c）P表面的單元格（頂部）和網(wǎng)格化1/8單元格設(shè)計(jì)域（底部）。

圖2.用于校準(zhǔn)μLPBF制造的SS316L的橫向各向同性彈性模型的測(cè)試方法。

圖3.SS316L的校準(zhǔn)結(jié)果：（a）沿三個(gè)測(cè)試方向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及（b）楊氏模量與構(gòu)建角φ的關(guān)系。

圖4.（a）標(biāo)有格子方向的印刷方向和（b）用于壓縮測(cè)試的印刷格子試樣。

圖5.彈性各向同性殼格的優(yōu)化結(jié)果：（a）N14（ρ=10.55%），（b）IWP（ρ=15%）和（c）P（ρ=15%）殼格的厚度分布（左邊），1/8單元（中間）和單元格（右邊）。沿著x-y平面和z方向的不同厚度的相應(yīng)殼用圓圈突出顯示。

圖6.各向同性（iso）和橫向各向同性（aniso）構(gòu)成材料制成的均勻和可變厚度殼格的楊氏模量比較。（a, d, g, j） ρ=10.55%的N14格子，（b, e, h, k）)ρ=15%的IWP格子，以及（c, f, i, l）ρ=15%的P格子。（a-c）顯示了晶格沿[100]-[101]-[001]方向的相對(duì)楊氏模量的反極圖（d-l）。

圖7.（a）可變厚度的N14殼格的頂面和（b）側(cè)面的SEM圖像。底行是按設(shè)計(jì)的模型和放大的SEM視圖的比較。

圖8.頂面、側(cè)面和底面的表面形態(tài)和粗糙度。

圖9.均勻厚度N14殼格（"Uniform"）、基于各向同性構(gòu)成材料的可變厚度設(shè)計(jì)（"Variable （iso）"）和基于橫向各向同性構(gòu)成材料的擬議可變厚度設(shè)計(jì)（"Variable （aniso）"）沿九個(gè)方向的測(cè)試楊氏模量比較：（a）相對(duì)楊氏模量E/（ρEx），以及（b）標(biāo)準(zhǔn)化楊氏模量E/Emax。

總而言之，這項(xiàng)工作提出了一種可變厚度的TPMS殼體格子的設(shè)計(jì)方法，以便從均勻的各向異性構(gòu)成材料中實(shí)現(xiàn)彈性各向異性。在通用各向異性指數(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種基于梯度的優(yōu)化方法。該方法可以實(shí)現(xiàn)各種類型的TPMS晶格的彈性各向異性。通過設(shè)計(jì)彈性各向同性的N14、IWP和P殼晶格，用數(shù)值證明了所提方法的有效性。