全文4500字，阅读需9分钟。本文分享三种3D打印钛合金晶格结构的缺陷与力学性能之间影响研究。
如果觉得AM易道文章有价值，请读者朋友帮忙转发点赞在看评论，支持AM易道创作。
AM易道本文与文中提到公司不存在任何形式的商业合作、赞助、雇佣等利益关联。
AM易道欢迎读者投稿共创并对公众号开放白名单，有兴趣的公众号主请点击查看转载说明。图片视频来自于网络，仅作为辅助阅读之用途，无商业目的。版权归原作者所有，如有任何侵权行为，请权利人及时联系，我们将在第一时间删除。

AM易道导语：

3D打印金属格栅/晶格/点阵结构因其独特的轻量化特性和优异的力学性能，已成为航空航天、生物医学、能源和汽车等行业的重要结构单元。

能大幅减轻飞机重量的结构部件，能完美模拟人体骨骼力学特性的植入物，能有卓越散热性能的新型换热器 — 这些典型应用场景都充斥各种3D打印晶格结构。

一项来自西北工业大学的最新研究揭示了3D打印过程中那些肉眼难以察觉的微小缺陷，如何对这些看似完美的格栅结构性能产生重大影响。

这项由PeiYao Li、WenBo Sun、Weihong Zhang和Yu E Ma领导的研究，发表在期刊《Thin-Walled Structures》上（DOI: https://doi.org/10.1016/j.tws.2024.112497）。

西工大团队研究聚焦于Ti6Al4V合金，这种材料因其出色的强度重量比和良好的生物相容性，在高端制造领域扮演着越来越重要的角色。

通过精细的实验设计和创新的数据分析方法，研究团队揭示了几何缺陷对格栅结构力学性能的影响机制，为提高3D打印产品质量提供了新的思路。

让我们一起深入了解这项研究，看看它如何为3D打印行业带来新的启示，以及这些发现将如何推动下一代轻量化、高性能材料的发展。

格栅结构：轻量化设计的主角

Ti6Al4V合金因其出色的强度重量比和良好的生物相容性，早已成为航空航天领域的宠儿。

而格栅结构，凭借其独特的轻量化特性和高度可定制性，成为了增材制造技术展现魅力的最佳舞台。

在这项研究中，团队精心选择了三种典型的格栅结构：

体心立方加垂直支柱（BCCZ）、面心立方加垂直支柱（FCCZ）和体面心立方加垂直支柱（FBCCZ）。

这三种结构的选择绝非随意。

BCCZ结构以其简洁的设计著称，在保证强度的同时最大限度地减轻重量。

FCCZ结构则在立方体的面中心增加了支撑，提供了更均匀的力学性能。

FBCCZ结构可以说是前两者的结合，在各个方向上都提供了充分的支撑，使得结构具有更高的刚度和强度。

通过研究这三种结构，研究团队能够全面评估几何缺陷对不同拓扑结构的影响，为未来的结构设计提供宝贵的参考。

上图展示了这三种格栅结构的单元模型和实际制造的样品。

从图中我们可以清晰地看到，虽然设计模型看起来棱角分明、结构规整，

但实际3D打印制造出来的样品表面却并非完全光滑，存在着微小的凸起和不规则性。

这些细微的差异，正是本研究要深入探讨的核心问题。

3D打印钛合金制造工艺

西工大研究团队选用铂力特的BLT-300，激光功率设定为350W，扫描速度为1000mm/s，激光光斑直径为80μm，层厚设置为0.06mm。

值得一提的是，研究团队还详细报告了所使用的Ti6Al4V粉末的特性。粉末颗粒呈球形，粒径范围为20μm到53μm。

为了进一步优化材料性能，研究团队在打印完成后对样品进行了800±5℃下4小时的退火处理。

• 电压：100kV
  
• 管电流：300μA
• 扫描像素尺寸：0.012mm
  
  

获取了高分辨率的X-CT扫描数据后，研究团队采用了一种系统的方法来量化和分析几何缺陷。

下图展示了这一过程：

研究人员首先在每个支柱上建立了与横截面平行的平面，以等间距相交。然后，使用最小二乘法将每个交叉截面的轮廓拟合为一个圆。

通过比较这个拟合圆的半径与设计半径（0.5mm）之间的偏差，研究人员定义了支柱厚度的变化。

同时，研究人员还测量了拟合圆的中心与设计横截面中心之间的距离，以此来表征支柱的弯曲度。

为了确保数据的代表性和统计意义，对每个样品的每个方向的支柱，至少随机选取了3600个交叉截面进行分析。

这种方法不仅允许研究者精确量化制造缺陷，还为后续的统计分析提供了大量可靠的数据。

通过这种系统的方法，研究团队能够全面了解3D打印过程中产生的几何缺陷的性质和分布，为后续的模型构建和性能预测奠定了坚实的基础。

当海量的X-CT数据摆在面前时，如何从中提炼出有价值的信息成为了一个巨大的挑战。

研究团队通过深入的统计分析，揭示了一些令人深思的规律。

首先，支柱截面半径的偏差呈现出典型的正态分布。

这意味着大多数支柱的实际尺寸都集中在设计值附近，但总有一些支柱会出现明显的偏大或偏小。

这种分布特征反映了3D打印过程中热量输入和材料熔化的随机性。

其次，支柱中心轴的偏移则遵循对数分布。

这表明大多数支柱的轴线偏移较小，但偶尔会出现极大的偏移，这可能是由于打印过程中的热应力积累或者粉末分布不均匀导致的。

更有趣的是，研究发现几何缺陷的分布与打印层数密切相关。

通常情况下，样品的中间层具有最高的制造精度，而顶部和底部层次则较易出现较大的偏差。

这一发现为优化打印策略提供了重要线索，暗示我们可以通过调整不同层次的打印参数来提高整体的制造精度。

具体的数据和图表较多，请有兴趣的读者根据DOI参阅原文献。

数值模拟：从微观到宏观的跨尺度分析

理解了几何缺陷的分布规律后，下一个挑战是如何将这些微观层面的信息与宏观的力学性能联系起来。

为此，研究团队构建了一系列复杂的数值模型。

首先是理想模型，这个模型假设所有的支柱都是完美无缺的，完全按照设计尺寸制造。

上图展示了FBCCZ格栅结构的理想模型，我们可以看到每一个支柱都笔直均匀，结构整体呈现出完美的对称性。

然而，理想很丰满，现实很骨感。

为了更接近实际情况，研究团队基于X-CT扫描的统计结果，构建了包含随机几何缺陷的统计模型。

上图展示了FBCCZ样品的正态统计模型，我们可以清晰地看到支柱的弯曲和不规则性，这与实际制造的样品更为接近。

更进一步，考虑到不同打印层数的缺陷分布差异，研究团队还开发了修正统计模型。

这个模型不仅考虑了随机缺陷，还将不同层次的制造精度差异纳入考虑，使得模拟结果更加贴近实际。

所有这些模型都是通过有限元分析实现的。

为了在计算效率和精度之间取得平衡，每个支柱被巧妙地划分为12个梁单元。这种建模方法既能捕捉到局部的几何缺陷，又不会导致计算量的爆炸性增长。

研究结果：微观缺陷的宏观影响

当理论模型与实验结果相互印证时，往往能揭示出最有价值的信息。

通过对比实验结果和数值模拟，研究团队得出了几个关键性的结论。

文献显示，修正统计模型展现出了惊人的预测精度，能够在5%的误差范围内准确预测格栅结构的力学性能。

这一成果的意义不言而喻，它为未来的结构设计和性能预测提供了可靠的工具。

另外研究发现支柱厚度的变化对力学性能的影响比支柱的弯曲度更加显著。

这一发现颠覆了许多读者的直觉，往往认为弯曲的支柱更容易导致结构失效。

这一结果提醒我们，在优化制造工艺时，应该更加关注如何控制支柱的厚度一致性。

最后，不同拓扑结构对几何缺陷的敏感性存在明显差异。

这意味着在设计晶格结构时，不仅要考虑理想状态下的力学性能，还要评估其对制造缺陷的鲁棒性。

下面三幅图分别展示了BCCZ、FCCZ和FBCCZ结构在压缩载荷下的变形响应。

这三幅图像为我们提供了丰富的信息，让我们能够直观地比较不同拓扑结构在实际加载条件下的行为差异。

在上图中，我们可以看到BCCZ结构表现出明显的剪切带，这种变形模式与其简单的体心立方结构密切相关。

剪切带的形成表明，在承受压缩载荷时，结构倾向于沿着特定方向发生局部化变形。

上图的FCCZ结构则表现出不同的变形特征。

我们可以观察到结构中部出现了局部的鼓胀现象。这种变形模式可能是由于面心立方结构提供了更均匀的支撑，使得载荷在结构中更为均匀地分布。

而上图的FBCCZ结构展现出了集成的变形模式。

我们可以看到，变形并非集中在某一区域，而是呈现出相对更加分散的特征。这种行为可能源于FBCCZ结构综合了BCCZ和FCCZ的特点，在各个方向上都提供了充分的支撑。

通过比较这三种结构的变形响应，我们可以总结一些结论：

• 拓扑结构对晶格材料的变形行为有着决定性的影响。不同的结构设计会导致载荷在材料内部的分布方式发生显著变化。
• 几何缺陷的存在会改变理想结构的变形模式。我们可以观察到，实际变形并非完全对称或均匀，这正是由于制造过程中引入的微观缺陷所导致的。
• FBCCZ结构表现出最好的变形分散能力，这可能意味着它在承受大变形时具有更好的能量吸收性能。
• 通过精心设计拓扑结构，我们有可能控制材料的失效模式，从而实现特定的工程需求，如提高结构的抗冲击性能或能量吸收能力。

这些发现对于优化结构设计，提高其承载能力和能量吸收性能至关重要。

它们不仅为工程师提供了设计更高性能格栅结构的指导，也为未来开发"可编程材料"—即可以通过调整微观结构来实现特定宏观性能的材料—提供了重要的理论基础。

这些研究结果不仅深化了我们对3D打印格栅结构力学行为的理解，也为未来的结构优化和材料设计指明了方向。

通过合理利用这些知识，我们有望开发出更加轻量化、高性能且可靠的工程结构，为各个高端制造领域带来革命性的变革。

写在最后

本研究深入揭示了3D打印Ti6Al4V晶格结构中几何缺陷的分布规律及其对力学性能的影响机制，为提高增材制造产品质量提供了重要的理论指导。

研究团队开发的修正统计模型，不仅能够准确预测晶格结构的力学性能，还为优化打印策略提供了新的思路。

AM易道认为，随着这类研究的深入，我们有望看到更加智能化的3D打印工艺，例如在打印过程中实时调整参数以最小化几何缺陷的影响。

同时，这种对微观结构和宏观性能关系的深入理解，也将推动可编程材料的进步。

从应用层面来说，在航空航天轻量化、定制医疗植入物、散热器内部、汽车零部件都能从此研究中获益。

您认为这项研究最有价值的部分是什么？它对您所在的行业可能产生哪些影响？

AM易道欢迎您在评论区分享您的想法和经验。

（正文内容结束）

联系AM易道编辑：

加编辑个人微信 amyidao（务必注明来意）：投稿、广告、合作、加入读者微信群、讨论文章内容、兴趣话题，前沿消息、行业内情、共同洞见3D打印的未来图景。