能量吸收性能的两个3 d打印的晶格结构

金属三维晶格结构港口不同的力学性能。本文认为杂志发表的研究欧洲杯足球竞彩,分析了增强锥体晶格结构的能量吸收特性的三个支柱材料由3 d打印技术,结合熔模铸造和直接金属添加剂制造。欧洲杯足球竞彩

研究:压缩和能量吸收特性锥体晶格结构的各种制备方法。图片来源:Iaremenko Sergii/Shutterstock.com

蜂窝材料是至关重要欧洲杯足球竞彩的结构和功能材料由于其高的比强度,低密度,和多孔结构,等。传统蜂窝材料大多是海绵、泡沫,和蜂窝,无数的局限性。然而,最近生成的三维晶格结构可以对抗传统蜂窝材料的局限性。欧洲杯足球竞彩

这些材料是用欧洲杯足球竞彩在许多工程领域,例如,航空航天、航空和汽车行业。

蜂窝材料有许多重要欧洲杯足球竞彩的性质,其中一个被能量吸收能力,这个属性可以定制。许多方法被用来调整能量吸收能力。

金属晶格结构制造许多方法如冲压成形、挤压相结合,电火花线切割,扩展板折叠和熔模铸造。然而,这些技术需要粘接或焊接技术组装struts形成晶格结构。

为了解决这个问题,新金属添加剂制造技术发展,但这些也有局限性,导致只有一小部分金属适合这些技术。新技术开发3 d打印技术与熔模铸造相结合,解决问题的方法。

本文中,基于研究杂志上欧洲杯足球竞彩,比较锥体晶格结构在三个支柱材料开发的两种制备方法。欧洲杯足球竞彩制备方法和设计参数的影响在他们的压缩响应和能量吸收分析了有限元分析和压缩测试。

方法

晶格结构的制备样品

研究分析两个technologies-direct 3 d印刷和3 d结合熔模铸造。这两种技术被用来准备样品的晶格结构。

BLT-A300直接3 d打印,打印机和选择性激光熔化(SLM)方法被使用,而在3 d打印技术结合熔模铸造铸态AlSi10Mg合金和7005铝合金。

分析各种铝合金的力学性能,进行了拉伸实验。图1显示了几何尺寸的样本用于拉伸试验,和图1 b描述了应力-应变曲线相关的合金。

图1所示。不同的铝合金的抗拉试验,(a)拉伸样品的几何尺寸;(b)的应力-应变曲线。图片来源:张,et al ., 2021。

增强锥体晶格结构

晶格结构的机械性能增强通过节点增强。图2显示了一个增强的锥体(EP)晶格结构和往常一样,和增强实现缓慢增加直径的struts向节点。

图2。锥体晶格结构的特征在目前研究:左边是正常和正确的增强。图片来源:张,et al ., 2021。

晶格结构分为四个(表1),A1为例(图3),选择和至少三个样品测试结构。算术平均值的值被认为是代表值。

集团	de(毫米)	d米(毫米)	支撑材料	θ(°)	H(毫米)	ρ*
A1	1.70	1.25	AlSi10Mg粉	35	5.00	0.3278
A2	1.70	1.25	铸的AlSi10Mg	35	5.00	0.3278
A3	1.70	1.25	7005年铸的	35	5.00	0.3278
B1	1.70	1.25	AlSi10Mg粉	45	6.16	0.3486
B2	1.70	1.25	铸的AlSi10Mg	45	6.16	0.3486
B3	1.70	1.25	7005年铸的	45	6.16	0.3486
C1	1.70	1.25	AlSi10Mg粉	55	7.14	0.3938
C2	1.70	1.25	铸的AlSi10Mg	55	7.14	0.3938
C3	1.70	1.25	7005年铸的	55	7.14	0.3938
D1	1.40	1.40	AlSi10Mg粉	35	5.00	0.3307
D2	1.50	1.34	AlSi10Mg粉	35	5.00	0.3415
D3	1.60	1.31	AlSi10Mg粉	35	5.00	0.3484
D4	1.70	1.25	AlSi10Mg粉	35	5.00	0.3278
D5	1.80	1.18	AlSi10Mg粉	35	5.00	0.3410

表1。晶格结构的参数。来源:Zhang et al ., 2021。

图3。三个实验数据的算术平均值。图片来源:张,et al ., 2021。

有限元分析

有限元分析(FEA)进行了模拟晶格结构的力学响应压缩。表2显示了有关塑料参数。

AlSi10Mg粉		铸的AlSi10Mg		7005铝合金
塑性应变	压力(MPa)	塑性应变	压力(MPa)	塑性应变	压力(MPa)
0	116.94	0	113.91	0	119.03
0.0037	218.19	0.0126	149.27	0.0106	236.02
0.0077	255.68	0.0262	177.05	0.0210	262.08
0.0116	283.78	0.0396	187.70	0.0316	277.13
0.0156	307.31	0.0529	201.83	0.0421	289.14
0.0195	325.19	0.0661	211.70	0.0527	298.12
0.0234	338.82	0.0769	220.06	0.0632	304.61
0.0268	347.14	0.0919	227.16	0.0738	309.03
0.0334	357.75	0.1194	234.41	0.0843	311.99
0.0398	362.30	0.1345	243.31	0.0998	313.59

表2。塑料三支柱材料的参数。欧洲杯足球竞彩来源:Zhang et al ., 2021。

压缩测试

单轴压缩试验进行材料测试系统。样品5×5×5单元细胞(图4),以减少大小的效果。样品的变形机制由高分辨率数码相机记录。

图4。四组样本,A, B, C和D, node-enhanced金字塔点阵结构。图片来源:张,et al ., 2021。

结果与讨论

压缩行为的样本

图5提供了样本组的变形机制,包括B和C,三个不同角度和矩阵材料状态进行了分析。

图5。EP晶格结构的变形过程在一个组,B和C;(a - c)表示压缩夹角是35°时,45°,分别和55°。图片来源:张,et al ., 2021。

图6和图7描述有限元分析的结果和相应的应力-应变曲线。

图6。米塞斯应力分布EP晶格结构的图在A组,B和c。图片来源:张,et al ., 2021。

图7显示在所有情况下,只有铸的AlSi10Mg合金光滑的应力-应变曲线显示。

图7。样品的应力-应变曲线;(A - C)代表集团A、B和C。图片来源:张,et al ., 2021。

观测表明,支撑材料的机械性能可以响应行为的决定性因素相关的晶格结构,并验证了失效机制图8所示。

图8。(a)的支撑表面形态AlSi10Mg和(b) 7005铝合金铸的晶格结构;(c, d)骨折的形态AlSi10Mg和铸态7005铝合金表面晶格结构;(e, f)放大红色框架的微观结构(c, d)。图片来源:张,et al ., 2021。

图9展示了通常的压缩变形机制和增强的晶格结构,而图9 b描述相应的米塞斯应力分布图。

图9。变形的过程通常的晶格结构D1和EP样本D4 (a)和(b)与米塞斯应力分布。图片来源:张,et al ., 2021。

图10显示,改进后的结构在很大程度上减少应力集中相比通常的锥体晶格结构。

图10。米塞斯应力分布图的单位细胞有不同的直径。图片来源:张,et al ., 2021。

样品的抗压应力-应变曲线最终直径的struts如图11所示。

图11。最终直径的影响样品的抗压应力-应变行为。图片来源:张,et al ., 2021。

能量吸收

表3显示了力学性能的表征来自实验和仿真结果。

样本	σP(MPa) Exp. / Sim卡。	E *(MPa) Exp. / Sim卡。	WVmax(mJ.mm3) Exp. / Sim卡。	P马克斯(%) Exp. / Sim卡。
A1	21.93/19.43	601.46/591.11	10.13/8.54	42.45/43.95
A2	9.55/10.89	185.49/197.56	5.60/5.07	24.46/28.21
A3	11.02/13.67	169.27/192.00	4.58/5.27	22.26/23.79
B1	33.05/31.94	1205.86/1432.18	15.04/14.42	42.98/45.16
B2	20.18/18.03	346.52/426.81	8.69/10.99	28.18/37.41
B3	23.07/22.99	931.93/940.00	9.59/8.79	40.23/38.23
C1	55.38/54.11	2662.91/2842.14	26.64/30.38	47.03/37.44
C2	37.00/34.53	925.26/1066.32	18.77/16.70	31.49/34.12
C3	47.12/44.33	1836.72/1670.97	20.38/23.35	43.24/51.75
D1	18.37/15.77	406.09/451.22	8.72/7.12	41.78/45.15
D2	20.06/16.27	535.66/604.17	8.81/6.98	40.23/42.90
D3	22.16/19.05	550.17/567.75	9.43/8.77	37.95/46.04
D4	21.93/22.43	601.46/591.11	10.13/8.54	42.45/43.95
D5	22.20/24.09	591.26/701.64	9.35/8.74	40.97/36.28

表3。代表样品的力学性能。来源:Zhang et al ., 2021。

图12说明了单位体积吸收能量对所有样品的应变。结果表明,不同的支撑材料和不同倾斜角度导致各种能量吸收行为。欧洲杯足球竞彩

图12。单位体积吸收能量的EP晶格结构样品;分别(模拟)代表小组模拟。图片来源:张,et al ., 2021。

比较三个支柱材料能量吸收行为,建立了能量吸收图(图13模拟)。欧洲杯足球竞彩

图13。能量吸收图和样品不同的支撑材料和倾斜角度;欧洲杯足球竞彩(a - c)代表的结果是AlSi10Mg,铸的AlSi10Mg,和7005铝合金,分别;(d)是上述结果的总结。图片来源:张,et al ., 2021。

力学参数的预测

计算σ_P和E^∗

抗压强度之间的关系和相对密度的泡沫吉布森和阿什比是适用于提出的晶格结构,但这些不涉及多层晶格结构的倾角的变化。因此,另一个模型包括倾角的影响提出的晶格结构的抗压强度。

验证理论结果

图14提供了实验和计算结果。结果表明,机械参数的拟合轨迹都是直线,与理论预测保持一致。表4中的常数K和R,展示某些差异变化的支撑材料。

图14。力学性能的理论结果对倾角;(两者之间的理论关系角度对于抗压强度,等效模量,分别和能量吸收。图片来源:张,et al ., 2021。

表4。拟合轨迹的数学表达式。来源:Zhang et al ., 2021。

结论

增强的晶格结构在三个支柱材料是由两种制备方法。欧洲杯足球竞彩制备方法的影响、支撑材料和几何参数对压缩行为和能量吸收分析了有限元分析和压缩实验。欧洲杯足球竞彩

看到,3 d打印技术结合熔模铸造的方法消除压力波动,但抗压强度降低。增强的金字塔点阵结构的倾角增加渠道承载能力的差距,提高能量吸收。理论方程和有限元分析进行了持久的实验结果。

期刊引用:

张,H。,Wang, X., Shi, Z., Xue, J., Han, F. (2021) Compressive and Energy Absorption Properties of Pyramidal Lattice Structures by Various Preparation Methods.欧洲杯足球竞彩。可以在:https://www.mdpi.com/1996-1944/14/21/6484/htm。

引用和进一步阅读

1. 吉布森,L J &阿什比M F(1997)细胞固体:结构和属性。剑桥大学出版社:英国剑桥。doi.org/10.1557/mrs2003.79。
2. 陆,G &余T(2003)结构和材料的能量吸收。欧洲杯足球竞彩瑞斯出版有限公司:英国剑桥。
3. Papka, D & Kyriakides年代(1994)面内压缩响应和破碎的蜂巢。固体的力学和物理学杂志》上,42,1499 - 1532页。doi.org/10.1016/0022 - 5096 (94) 90085 - x。
4. 张X &张H(2013)的优化设计功能梯度泡沫材料在冲击荷载。国际机械科学杂志》上欧洲杯线上买球,68年,199 - 211页。doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2013.01.016。
5. Ivanez,我。等。(2017)抗压缓冲吸能变形的铝蜂窝芯材。复合结构,174年,123 - 133页。doi.org/10.1016/j.compstruct.2017.04.056。
6. 埃文斯,a·G。等。(2001)的拓扑设计多功能细胞金属。材料科学进展欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球,46,309 - 327页。doi.org/10.1016/s0079 - 6425 (00) 00016 - 5。
7. 雀斑:A。,等。(2010)Micro-architectured材料欧洲杯足球竞彩:过去、现在和未来。《皇家学会学报:数学、物理和工程科学欧洲杯线上买球,466年,2495 - 2516页。doi.org/10.1098/rspa.2010.0215。
8. Deshpande、v . S。等。(2001)有效octet-truss点阵材料的属性。固体的力学和物理学杂志》上,49,1747 - 1769页。doi.org/10.1016/s0022 - 5096 (01) 00010 - 2。
9. 阴,S。等。(2011)与空心锥体点阵夹层结构复合桁架。复合结构,93年,3104 - 3111页。doi.org/10.1016/j.compstruct.2011.06.025。
10. Gumruk, R。等。(2013)静态力学行为在不同加载条件下不锈钢micro-lattice结构。欧洲杯足球竞彩材料科学与工程:,欧洲杯线上买球586年,392 - 406页。doi.org/10.1016/j.msea.2013.07.070。
11. Tancogne-Dejean、T。等。(2016)加法制造金属micro-lattice材料高特定的静态和动态载荷作用下的能量吸收。欧洲杯足球竞彩Acta Materialia,116年14-28页。doi.org/10.1016/j.actamat.2016.05.054。
12. 奥兹德米尔、Z。等。在晶格结构(2016)能量吸收动力学:实验。影响工程的国际期刊,89年49 - 61页。doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2015.10.007。
13. Gautam, R。等。(2018)印刷和熔融沉积造型戈薇晶格结构的描述。欧洲杯足球竞彩材料和设计,137年,266 - 275页。doi.org/10.1016/j.matdes.2017.10.022。
14. Hammetter、c。I。等。(2013)锥体晶格结构强度高、能量吸收。应用力学学报,80年,p . 041015。doi.org/10.1115/1.4007865。
15. 布洛克,J & Panesar密度和单元(2020)效应细胞大小分级刚度和能量吸收的短纤维增强功能梯度晶格结构。加法制造,33,p . 101171。doi.org/10.1016/j.addma.2020.101171。
16. Tarlochan F(2021)三明治结构能量吸收应用程序:一个回顾。欧洲杯足球竞彩,14,p . 4731。doi.org/10.3390/ma14164731。
17. Maskery,我。等。(2016)的力学性能评价分级密度Al-Si10-Mg晶格结构由选择性激光熔化。欧洲杯足球竞彩材料科欧洲杯线上买球学与工程:一个,670年,264 - 274页。doi.org/10.1016/j.msea.2016.06.013。
18. Al-Saedi, d . s . J。等。(2018)力学性能和能量吸收能力的功能梯度F2BCC晶格SLM臆造出来的。欧洲杯足球竞彩材料和设计,144年32-44页。doi.org/10.1016/j.matdes.2018.01.059。
19. 刘,h . C。等。(2019)平放地压缩属性层次热塑性复合平方晶格。复合结构,210年,118 - 133页。doi.org/10.1016/j.compstruct.2018.11.047。
20. Tancogne-Dejean T &莫尔D(2018)刚度和能量吸收特定的加法制造金属BCC锥形束组成的超材料。欧洲杯足球竞彩国际机械科学杂志》上欧洲杯线上买球,141年,101 - 116页。doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2018.03.027。
21. 李,z . H。等。(2020)力学性能AlSi10Mg晶格结构的选择性激光熔化。欧洲杯足球竞彩材料和设计,192年,p . 108709。doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108709。
22. 白,L。等。(2019)的有效设计分级支柱的BCC晶格结构改善力学性能。欧洲杯足球竞彩,12,p . 2192。doi.org/10.3390/ma12132192。
23. Kooistra, g . W。等。(2004)压缩行为的年龄可硬化的四面体点阵桁架结构用铝做的。Acta Materialia,52,4229 - 4237页。doi.org/10.1016/j.actamat.2004.05.039。
24. Queheillalt, d . T。等。(2008)力学性能的挤压金字塔点阵桁架三明治结构。Scripta Materialia,58,76 - 79页。doi.org/10.1016/j.scriptamat.2007.08.041。
25. Kooistra G W & Wadley H N G(2007)点阵桁架结构从扩大金属板。欧洲杯足球竞彩材料和设计,28,507 - 514页。doi.org/10.1016/j.matdes.2005.08.013。
26. Deshpande、v . S。等。(2001)泡沫拓扑弯曲和拉伸为主架构。Acta Materialia,49,1035 - 1040页。doi.org/10.1016/s1359 - 6454 (00) 00379 - 7。
27. Takano, N。等。(2017)随机预测抗压刚度明显选择性激光烧结的晶格结构与几何缺陷和材料属性的不确定性。国际机械科学杂志》上欧洲杯线上买球,134年,347 - 356页。doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2017.08.060。
28. Maconachie、T。等。(2019)SLM晶格结构:属性、性能、应用和挑战。欧洲杯足球竞彩材料和设计,183年,p . 108137。doi.org/10.1016/j.matdes.2019.108137。
29. 黄,Y。,等。(2021)锥体格Material-Filled铝管的压缩行为。欧洲杯足球竞彩,14,p . 3817。doi.org/10.3390/ma14143817。
30. 雪、Y Y。等。(2018)的压缩属性Al-based增大的晶格结构所使用的三维打印与熔模铸造相结合。欧洲杯足球竞彩材料科欧洲杯线上买球学与工程:一个,722年,255 - 262页。doi.org/10.1016/j.msea.2018.02.105。
31. Thijs、L。等。(2010)的研究在选择性激光熔化Ti-6Al-4V微构造演化。Acta Materialia,58,3303 - 3312页。doi.org/10.1016/j.actamat.2010.02.004。
32. Miltz J & Gruenbaume G(1981)评价的缓冲性能的塑料泡沫压测量。高分子材料工程与科学欧洲杯线上买球,21,1010 - 1013页。doi.org/10.1002/pen.760211505。
33. 王、H。等。(2019)结构设计对压缩性能和能量吸收的影响行为的有序多孔铝由快速铸造。欧洲杯足球竞彩材料和设计,167年,p.107631。doi.org/10.1016/j.matdes.2019.107631。
34. Maiti, s . K。等。(1984)细胞固体的缓冲吸能变形图。Acta Metallurgica,32,1963 - 1975页。doi.org/10.1016/0001 - 6160 (84) 90177 - 9。
35. 燕,c . Z。等。(2015)显微组织和力学性能的铝合金蜂窝晶格结构通过直接金属激光烧结生产。欧洲杯足球竞彩材料科欧洲杯线上买球学与工程:一个,628年,238 - 246页。doi.org/10.1016/j.msea.2015.01.063。
36. Crupi, V。等。(2017)静态行为产生的晶格结构通过直接金属激光烧结技术。欧洲杯足球竞彩材料和设计,135年,246 - 256页。doi.org/10.1016/j.matdes.2017.09.003。
37. 赵,M。等。(2020)加法制造机械和能量吸收特性的功能梯度板用最小的表面晶格结构。国际机械科学杂志》上欧洲杯线上买球,167年,105262页。doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2019.105262。
38. 张,h·R。等。(2021)金属自营三维晶格的能量吸收图特征的加法制造和能量吸收结构的设计方法。国际期刊的固体和结构,226 - 227,p . 111082。doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2021.111082。