3D打印胞元結(jié)構(gòu)建模的六大挑戰(zhàn)

3D打印的一大優(yōu)勢是靈活性以及打印成本對產(chǎn)品的復(fù)雜性不敏感，這也是復(fù)雜的胞元結(jié)構(gòu)成為3D打印領(lǐng)域的一大熱門研究方向的主要原因。之前南極熊報道過對3d打印部件進行拓撲優(yōu)化，而且我們都知道使用切片軟件進行切片時可以選擇蜂窩狀填充。就像建筑用的空心磚，胞元的應(yīng)用減少了材料的使用，有效幫助實現(xiàn)輕量化，而與此同時，如何保證仍然滿足力學(xué)性能的要求，則成為建模界“才下眉頭、卻上心頭”縈繞不散的要緊事。

力學(xué)的事兒，結(jié)構(gòu)大作為

1 連續(xù)建模
當(dāng)你把材料均勻的分散在每個結(jié)構(gòu)點上，你可能會覺得這些點陣上的材料特性也是一樣的。然而，忽略那些蜂窩結(jié)構(gòu)中的連接支柱/節(jié)點部分的研究將帶來錯誤的建�；蛘呤谴蛴∵^程。那些各向異性是在建模過程中就需要考慮的因素，而諸如表面粗糙度、局部結(jié)構(gòu)或尺寸公差這些問題在小于1毫米厚的連接部位變得尤為突出，與此同時對加工工藝的了解變得尤為重要，通常情況下相同的幾何形狀，在不同的工藝條件下產(chǎn)生明顯不同的結(jié)果。

圖：蜂窩結(jié)構(gòu)壓縮下彈性應(yīng)變不均勻的地方

2 大小的影響
尺寸效應(yīng)是顯著的，包括尺寸函數(shù)變化都是門高深的學(xué)問。 如何在蜂窩結(jié)構(gòu)材料中實現(xiàn)精確、均勻和各向同性材料，不僅僅是個數(shù)學(xué)問題。以彈性模量為例，這個屬性的提取強烈地依賴于參與實驗表征過程中的胞元數(shù)量�？紤]到實驗工作的進行，改變多軸向和縱向胞元的分布，下圖的測試樣品由六邊形蜂窩組成。研究這些胞元的大小如何影響產(chǎn)品的性能，這是一個重大的挑戰(zhàn)，或者說這本身就可以成為一門學(xué)科，由此還延伸出另外一個問題，表征胞元特性的正確樣本設(shè)計是什么？

圖：壓力顯示結(jié)構(gòu)與胞元數(shù)有很強的相關(guān)性

3 接觸效應(yīng)
在壓力試驗中結(jié)構(gòu)件頂部和底部的力學(xué)分布與位于結(jié)構(gòu)件中間的可能是大不相同的，通過調(diào)整胞元的設(shè)計可以達到更好的力學(xué)壓力分配。

圖：壓力分配情況

4 宏觀結(jié)構(gòu)的影響
不僅僅微觀分布對宏觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能帶來影響，另一方面，宏觀結(jié)構(gòu)也會對微觀結(jié)構(gòu)帶來影響，包括非常高的縱橫比，在宏觀變形包括宏觀層面上引起的彎曲通常帶來胞元的力學(xué)性能的變化。

5 尺寸公差的影響
雖然所有的制造過程中都允許一定程度的尺寸公差，但是這些尺寸誤差用在含胞元結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品上可能帶來非常顯著的作用。在這里，3D科學(xué)谷拿一個典型的工業(yè)3D打印過程來說，公差在75微米（0.003″）的蜂窩結(jié)構(gòu)（特別是微格）往往帶來250-750微米的厚度公差。這些被“放大”的錯誤使得設(shè)計和制造都面臨著雙重的挑戰(zhàn)，而且還需要通過滲透到內(nèi)部的測量手段，包括X射線掃描。不僅僅是昂貴的檢測方法，除了對建模的高要求，針對增材制造的高效仿真分析軟件變得尤為重要。

圖：0.004″的尺寸公差帶來7%的厚度錯誤

6 細觀結(jié)構(gòu)的影響
增材制造的分層打印特性引入了一系列的挑戰(zhàn)，拿激光粉末床融化過程舉例，懸垂面與水平面的角度往往帶來不同程度的表面情況，體現(xiàn)在蜂窩結(jié)構(gòu)中，可能導(dǎo)致在不同的打印方向上的不同厚度結(jié)果。

圖：打印方向影響的打印結(jié)果

來源：3D科學(xué)谷
延伸閱讀：
新技術(shù)：可3D打印出更純金納米結(jié)構(gòu)，電阻率降低數(shù)十萬倍！
荷蘭學(xué)者成功通過改變3D打印支架結(jié)構(gòu)影響干細胞分化