墨尔本理工：提高3D打印空心支柱金属晶格结构强度的方法

墨尔本理工大学增材制造中心马前教授团队在此前的5月31日于Nature杂志发表了借助3D打印研制出新型钛合金的研究，3D打印技术参考注意到，马前教授团队还于日前在Scripta Materialia上发表了题为“Node-reinforced hollow-strut metal lattice materials for higher strength”的文章。该研究报告了一种设计策略，通过采用节点加固策略可显著提高空心支柱金属点阵的强度。

空心支柱金属晶格材料是一类新兴的晶格材料，与以往晶格结构不同之处在于其支柱和节点皆为空心，它们共同在晶格结构中形成相互连接的通道网络。在相似的相对密度下，空心支柱金属晶格比实心支柱晶格结构具有更高的结构效率。尽管结构效率高，但这些新型晶格材料的空心节点被发现是薄弱点，通常会导致过早失效。这阻碍了相互连接的空心支柱的固有优势的充分利用。例如，对Ni空心支柱晶格压缩的原位研究表明，变形局限于空心节点，而空心支柱应变最小。

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2023.115547

显然，这种具有内部通道的晶格结构与其他实心支柱晶格结构在失效模式和机械性能方面有所不同。通常认为加厚节点壁可以用作节点加固策略，但墨尔本理工大学的研究人员认为引入专门设计的亚毫米节点加固方法可能从根本上提高它们的强度和刚度，同时需要考虑采用粉末床激光金属3D打印对空心支柱的可制造性，及如何避免粉末堵塞空心支柱。

为了展示设计理念，研究人员选择了空心支柱简单立方格子来进行节点加固和评估。这是因为简单立方格子拓扑结构的垂直支柱（承重较大）与水平支柱（承重较小）的数量比很高，因此是结构效率最高的晶格结构设计之一。此外，它的节点数量很少，因此通过应用节点加固来增加密度很容易管理。

研究人员提出了三种节点加固策略，3D打印技术参考细致观察了其结构特点，其分别为在支柱节点内部垂直交叉加强、节点处管壁内外设置非接触加强筋、节点处沿管壁外侧设置加强筋。加强筋的厚度分为0.89mm和0.36mm两种，为确保节点加固后粉末自由流出，每个中空支柱的内径设计为1.78mm，外径为2.5mm（可见壁厚为0.36mm）。

三种节点加固策略

研究人员设计了未加固空心支柱晶格、采用以上加固策略的晶格以及未加固的实心支柱晶格，采用金属3D打印制造了上述钛合金晶格结构，并使用微焦点计算机断层扫描（µCT）检查。发现，在所有空心支柱晶格中都没有观察到粉末留存，包括那些带有内部节点增强的格子。支柱的内外轮廓均匀对称，目视检查每个格子支柱的外部轮廓也证实了其沿支柱轴线的均匀横截面。每个结构的的设计值与测量值之间的差异小于2.5%，确认设计与制造的一致性。

µCT对晶格结构的检查

对三组晶格的压缩应力-应变测试发现，每个晶格在峰值应力后强度急剧下降，这是因为该类晶格的屈服强度和弹性模量的解析解遵循相关模型。与未加固的晶格相比，所提出的节点加固设计，尤其是第一种，屈服强度和杨氏模量大幅增加。平均而言，该加固方式的晶格结构屈服强度增加了122%，密度增加了24%；第二种加固方式的晶格结构屈服强度增加了114%，密度增加了17%；；第三种加固方式的晶格结构屈服强度增加了101%，密度增加了18%。

不同情况下，Ti6Al4V简单立方晶格的压缩应力-应变曲线

实际的测试表明，所设计的三种节点加固空心支柱晶格结构的峰值应力分别超过现有实心支柱格子的峰值应力42%、31%和35%，表明他们卓越的结构效率。这一观察表明，这些加固的空心节点在单轴压缩下的行为类似于实心节点，因此可以利用空心支柱的固有结构效率。它突出了使用节点增强的空心支柱晶格代替实心支柱晶格的潜力。

基于Gibson-Ashby模型的相对屈服强度与相对密度和相对弹性模量与相对密度的双对数图

对比Ti6Al4V、SS316L、CoCr、Inconel 625和AlSi10Mg发现，节点增强的空心支柱晶格都位于经验上限之上，表明金属晶格具有以前无法实现的不寻常的结构效率。并且，无论晶胞如何拓扑，节点增强的空心支柱晶格始终优于未增强的空心支柱晶格和等效相对密度的现有实心支柱晶格。

研究人员以7×7×7mm的晶格结构探究节点增强和未增强的空心支柱晶格结构的失效模式，该尺寸的结构满足代表连续体机械响应的要求。当节点区域达到屈服阶段时，未增强的空心支柱晶格最初观察到节点椭圆化，然后随着施加的载荷的进一步增加而局部坍塌。

随着结构开始屈服，内部节点加固策略观察到节点椭圆化显著减少。达到峰值应力后，两个格子都观察到在支柱和节点之间的交叉点处发生塑性铰接，导致单层宽剪切。这种失效模式对于实心支柱晶格很常见，因为缺少倾斜支柱来抵抗横向应变。这一观察进一步证实，这些加固的空心节点的行为类似于实心节点。

外部节点加固设计表现出明显的失效模式，到达屈服阶段后，节点以类似于未加固节点的方式椭圆化。然后，剪切诱导的节点断裂沿着整个晶格的45°对角线发生（不再局限于单层），这些节点处的塑性铰接可忽略不计。这是另一种常见的晶格失效模式，比单层失效模式更具灾难性。

压缩失效模拟

为了定性了解单轴压缩下节点增强的结构效率，使用晶格节点的实体连续体模型实施了各向同性线弹性FEM模拟，发现节点增强的局部屈服阻力比未增强时高约50%。没有节点加固，应力集中直接发生在薄节点壁的内外表面上。相比之下，对于内部和内- 外节点加固，应力集中在互连支撑区域中发生的程度要低得多，并且施加到节点壁上的应力要小得多，这种应力分布允许这些内部支撑的晶格中的节点区域抵抗整个晶格结构的过早椭圆化和断裂，以承受更大的整体变形。

在研究的三种节点加固策略中，在每个空心节点内放置两个连续的加强板相当于引入两个承重垂直支柱。这有效地增加了节点横截面积，从而降低了施加到节点的峰值应力。相比之下，虽然沿Z轴在每个空心节点外部放置四个连续的加强板也可以成功降低施加在节点上的峰值应力，内部空心节点空间保持完好，但每个外部加强筋与空心节点内壁之间的四个连接区域成为应力集中区域（如图所示的两个垂直相对的红色区域）。因此，内部节点加固策略是最理想的选择，但该策略需要使用足够宽的中空通道以避免粉末阻塞。考虑到所有这些因素，内-外部节点加固策略似乎是一种有吸引力的折衷方案，其同时具有均匀的应力分布。

END

总之，采用LPBF工艺打印了具有三种节点增强策略（内部、外部、内部-外部）的空心支柱Ti6Al4V立方晶格，其中没有粉末存留并进行了评估。与未增强的空心支柱格子相比，这些节点加固策略将屈服强度、弹性模量显著提高，密度也适度增加。无论晶胞结构如何拓扑，这些节点增强的空心支柱晶格的相对屈服强度始终位于经验模型上限之上。此外，它们的峰值应力比密度相似的实心支柱立方晶格的峰值应力高出42%，表明它们具有出色的结构效率。内部节点加固策略产生了最佳的机械性能，但为避免粉末堵塞，该策略需要使用足够宽的中空通道。在这方面，内部-外部节点加固策略提供了一个有吸引力的选择。