近年來，隨著金屬3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，多孔結(jié)構(gòu)領(lǐng)域受到越來越多的研究人員關(guān)注，多孔結(jié)構(gòu)材料因為其在特定領(lǐng)域具有良好的抗壓性、質(zhì)量輕、密度低、比表面積大、比剛度高、熱導率高等優(yōu)良的綜合物理力學性能，已成為一種新穎的功能結(jié)構(gòu)材料，被廣泛應用于生物醫(yī)學、航空航天、智能機器人、催化劑載體、消音器、換熱和阻燃器等領(lǐng)域。
圖1 多孔結(jié)構(gòu)在生物醫(yī)療中的應用
多孔結(jié)構(gòu)材料是一類包含大量孔隙的材料，主要由形成材料本身基本構(gòu)架的連續(xù)固相和形成孔隙的流體相所組成。多孔材料中的孔隙是設計者和使用者所希望出現(xiàn)的功能相，它們?yōu)椴牧系男阅芴峁﹥?yōu)化作用。多孔材料須具備以下兩個要素：一是材料中包含大量的孔隙；二是所含孔隙被用來滿足某種或某些設計要求以達到所期待的使用性能指標。多孔材料按照材質(zhì)組成的不同，主要分為多孔金屬、多孔陶瓷和泡沫塑料。一般的有機和陶瓷等多孔體總是難以同時滿足強度、塑性、高溫等使用條件的要求，多孔金屬材料在一定程度上彌補了以上各類多孔材料的不足，從而得到了迅速的發(fā)展。
圖2 多孔結(jié)構(gòu)單元
圖3 三種多孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化迭代過程
隨著多孔結(jié)構(gòu)材料需求逐漸擴大，越來越多的企業(yè)逐漸關(guān)注起參數(shù)化多孔結(jié)構(gòu)設計的應用發(fā)展。部分在金屬3D打印多孔結(jié)構(gòu)領(lǐng)先的高新技術(shù)企業(yè)，都已經(jīng)在多孔材料方面取得突破。廣州雷佳增材科技有限公司研發(fā)團隊利用SLM技術(shù)制備了采用體心立方結(jié)構(gòu)的CuSn/18Ni300的雙金屬均勻多孔結(jié)構(gòu)，并通過壓縮試驗對其壓縮行為和能量吸收行為進行了研究。該結(jié)構(gòu)兼具CuSn合金具有良好的導熱性、延展性和耐腐蝕性，以及18Ni300馬氏體時效鋼的高強度特性，可應用于功能集成組件。
圖4 多孔結(jié)構(gòu)材料及壓縮性能
廣州雷佳增材科技有限公司研發(fā)團隊提出利用Rhinoceros插件Grasshopper中進行參數(shù)化多孔結(jié)構(gòu)的設計，通過調(diào)整輸入?yún)?shù)來改變所設計多孔結(jié)構(gòu)的類型、孔隙率、表面積體積比和平均孔徑，將參數(shù)化建模方法應用于醫(yī)學植入物中，設計參數(shù)化多孔植入物，達到快速建模的效果，如圖5所示。
圖5 雷佳增材參數(shù)化多孔結(jié)構(gòu)建模
廣州雷佳增材科技有限公司研發(fā)團隊發(fā)現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)的力學行為根據(jù)其斷裂性質(zhì)又分為脆性斷裂多孔結(jié)構(gòu)和延性壓實失效多孔結(jié)構(gòu)，其原因主要與材料相關(guān)，3D打印后為脆性多孔結(jié)構(gòu)（45度斷裂特征）主要有Ti6Al4V多孔、鋁合金多孔，3D打印后為延性壓實失效多孔結(jié)構(gòu)主要有316L多孔結(jié)構(gòu)、18Ni-300多孔結(jié)構(gòu)等。根據(jù)多孔結(jié)構(gòu)是否具有孔隙率的變化又可以分為均勻多孔結(jié)構(gòu)和梯度多孔結(jié)構(gòu)，這兩種多孔結(jié)構(gòu)的壓縮行為也是不同的。均勻多孔結(jié)構(gòu)的壓縮過程一般為均勻壓縮，而梯度多孔結(jié)構(gòu)（沿著壓縮軸向梯度）壓縮過程一般為逐層壓縮，這主要與孔隙率的變化有關(guān)。
圖6 功能梯度材料中局域性能與位置的關(guān)系以及天然生物材料中的基本功能梯度設計形式與原則
根據(jù)多孔結(jié)構(gòu)的壓縮曲線的特征又可以分類為拉伸主導型多孔結(jié)構(gòu)和彎曲主導型多孔結(jié)構(gòu)。根據(jù)壓縮曲線特征可分為四個區(qū)域：彈性區(qū)域（I），彈塑性崩潰（II），塑性崩潰或不穩(wěn)定的應力區(qū)域（III）和致密化（IV）區(qū)域。彎曲主導型的多孔結(jié)構(gòu)壓縮曲線有應變硬化趨勢，而拉伸主導型多孔結(jié)構(gòu)的壓縮曲線在達到第一抗壓強度峰值后回落形成應變軟化區(qū)域。
圖7 （a）彎曲主導型和（b）拉伸主導型的多孔結(jié)構(gòu)的壓縮行為示意圖。
圖8 廣州雷佳增材科技有限公司多孔結(jié)構(gòu)樣品
金屬3D打印制備多孔結(jié)構(gòu)適用的材料范圍廣，可以制備復雜的外形, 內(nèi)部宏觀孔隙可控，研制周期短、成本低、材料利用率高，因而顯示出巨大的潛力。未來，雷佳增材將大力研發(fā)多孔結(jié)構(gòu)材料，不斷的深化3D打印在多孔結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應用發(fā)展，推動參數(shù)化多孔結(jié)構(gòu)設計在生物醫(yī)學、航空航天、智能機器人等領(lǐng)域應用。轉(zhuǎn)載請注明出處。
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