晶格建模与制造中的学问,你Get了吗?



 当前,我们所见到的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,晶格几何形状的选择是有效进行轻量化的关键。

有些像泡沫一样多孔材料的确是轻的,但通常刚性却不满足零件的性能要求。 晶格里面的学问非常深,比如说一些多孔结构被称为“弯曲主导’,这些结构在弯曲的时候体现了极好的韧性,成为吸收能量的理想选择。

图片来源:雷尼绍

有关晶格长成的每一步

晶格的世界很微妙,就拿“弯曲主导’的晶格结构来说,如果你在中间加上了一个横向的支柱,就变成了“伸展主导”的结构,这样的结构无论是在拉伸或压缩情况下,由于高层次的节点连接,提供了交叉支撑并防止节点的相对运动,这种细观结构可以恰到好处的提供最佳的重量比强度。

图片来源:维基百科,左边为“弯曲主导”,右边为伸展主导“设计

除了这些常规的点阵设计,包括简单的支撑和节点的设计。 设计师还可以尝试复杂的设计,例如小旋翼这样的结构。根据3D科学谷的市场研究,国际上HiETA Technologies和Exeter大学在尝试在散热器中应用这些小旋翼结构。他们通过流体动态分析软件(CFD)来对通过小旋翼胞元的液体压力进行建模分析,并对热量的交换做精确的仿真。实验测试是在4mm的胞元的大小和30%的体积分数的结构中进行的,实验结果表现良好。

图片来源:HiETA

除了小旋翼这样的巧妙设计,正如建筑学给美学带来很多灵感一样,建筑学为晶格设计也带来非同寻常的创新依据。由于增材制造的灵活性,我们现在可以把建筑感的细观结构应用到增材制造的建模设计中来,并通过这些细观结构提供特定的力学性能。

图片: 纤维结构的材料提供不同方向的刚度,材料为316L不锈钢,所用加工设备为雷尼绍AM250

如果你觉得建筑美学带来的冲击力还不够,更加深入一些的还有混合网格结构,谷友们知道晶格可以整合入产品设计中,成为轻量化的重要元素。 也可以结合其他建模技术如拓扑优化,不仅仅从整体外观上与传统的产品设计区别开来,从产品的局部结构上也实现更加灵活的构造,进一步减轻重量,并通过晶格的细观结构满足不同位置力学性能的要求。

图片:钛合金“蜘蛛”架,由Altair Optistrut软件, 和Materialise Magics 软件生成,所用加工设备为雷尼绍AM250

小晶格,大学问。除了设计领域的脑洞大开,当前设计者所面临的另一个关键的计算挑战是将晶格设计的文件转换成打印设备所能读取的打印文件。这个过程中,你很容易迅速陷入巨大的模型和无休止的构建文件的准备中。 为了避免这样的烦恼,当前的专家正在通过新的打印文件和自定义激光曝光策略的生产方式来简化晶格打印文件生成和制造的过程。

图片:Betatype提供的自定义激光曝光策略用于提升产品机械性能和加快构建过程

增材制造过程中,晶格细节的体现需要激光能量的精确控制,对每一层的晶格融化的建立通常涉及到成千上万的稀疏分布的风险,对设备的考验也就体现出来。拿雷尼绍的设备来说,系统调制激光可以聚焦到70微米光斑大小,可以实现壁薄如140微米的建构能力。

当晶格的设计趋于复杂的时候,制造方面的挑战就更大了,特别是例如钛合金这样的材料,可以表现出显著的残余应力,所以需要当心在一层构建完成后,下一层铺粉的时候粉刷的材质不能过于刚性,过于刚性的粉刷容易将晶格的微小结构借助残余应力带来的热变形而将刚刚构建好的结构进一步破坏掉。

图片: 体积8000立方厘米的材料,材料为钛合金,软件为Betatype CAD-CAM软件平台,所用加工设备为雷尼绍AM250

未来的挑战

虽然晶格极具魅力和吸引力,但目前仍然有一些障碍使得晶格设计很难用在零件的实际生产中。 一个关键的挑战是要证明设计的性能可靠性,特别是在抗疲劳方面。由于晶格的表面和尖锐的交叉点很多,这带来了应力集中,而实际中应用的批量零件是不能接受可能失败这样的事件。

所以就带来了一个相关的问题是如何验证制造质量。晶格的复杂性使得难以通过传统方式检查。 CT扫描提供了一种解决方案,尽管有些费时。

尽管当前所面临很大的挑战,然而介于复杂的晶格结构可以提供卓越的产品性能-无论是在效率和功能方面。 并且为组件轻量化打开了广阔的设计空间,还可以提高传热、能量吸收、绝缘和提高连接性能。 我们有理由相信,总有一天,晶格会在增材制造占据重要的一席之地。

国际上除了雷尼绍、Altair、Materialise这些在晶格结构上积极探索的企业。根据3D科学谷的市场研究,国内像铂力特、中国空间技术研究院都在进行着不畏艰辛的探索,并在探索的过程中积累了属于自己的know how,而这些know how也将随着晶格重要性和制造可行性的提升成为这些企业立足未来市场竞争的宝贵优势。

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