3D打印功能晶格结构对力学性能和失效性能的影响

晶格结构独特的机械和物理特性使其在工程界和生物学领域获得极大关注，3D打印技术是当前一体化、复杂晶格结构制造的重要且快捷的手段。随着研究的深入，对晶格结构的认识正在从均一晶格结构向混合和功能梯度结构方向发展，它的实现仍然需要借助于3D打印技术。这种新的结构形式来自于人们对自然界已存结构的理解，如木材、骨骼、海绵和珊瑚等。

这些自然形成的结构促使研究人员开发出具有相同特性的混合结构或功能梯度结构，并可通过改变壁厚、强度、密度和单元尺寸的分布得以实现。功能梯度结构因其在不同区域的不同性能具有重要的应用潜力。

研究人员已经进行了几项研究，通过不同的方法来增强点阵/蜂窝结构的力学性能，如拓扑优化、支柱宽比、不同直径、层厚以及晶胞类型、尺寸和孔隙率的影响。一些研究提出了混合蜂窝材料的设计，包括互穿晶格、合理的设计方法和功能梯度结构，它们表现出更高的力学性能，如更高的模量、韧性、多稳态/负刚度行为和能量吸收能力。

晶格研究的另一个趋势是功能梯度晶格结构的发展。它是一种由不均匀的单元排列或密度分布引起的结构，具有不均匀的性质。为了提高其力学性能，研究人员检查了功能梯度结构的几何形状、方向和纵横比。此外，还研究了制造工艺对表面基和梁基等各种结构的晶格结构、变形行为和压缩响应的影响。

这些讨论揭示了混合结构和功能梯度结构的整合需要有意识的融合不同的晶格模式，目的是提高强度和响应能力。这种协调一致的方法有可能带来更高的性能和使用效果。混合结构和功能梯度结构的战略融合使我们能够为提高能量吸收和耗散效率定制材料响应，同时加强整体结构刚度。从文献中得出的结论是，大多数与混合结构有关的研究侧重于纵向/线性设计，而功能梯度结构的研究主要涉及具有不同梯度参数的单一结构，如单元胞拓扑结构、单元厚度、支柱长度和孔隙度。值得注意的是，文献表明，仅对径向混合结构(包含两个以上结构)进行了少数研究。

来自香港理工大学、法赫德国王石油与矿业大学（沙特）、大阪大学的组成的团队在《国际先进制造技术杂志》发表了题为“Effect of additive manufactured hybrid and functionally graded novel designed cellular lattice structures on mechanical and failure properties”文章，结合基于梁和基于表面的结构的不同单元，设计和评估了新型功能梯度径向杂交结构。该研究引入了一种圆柱形/径向杂交方法，结合了来自束基结构的BCC、FCC和八隅体，以及来自表面结构的金刚石、陀螺体和split-p。

研究人员表示，这是第一篇研究放射杂交功能梯度结构的论文。他们设计并研究了四种不同的模型：

1)均匀密度的基于表面的混合结构

2)均匀密度的基于梁的混合结构

3)功能梯度的基于表面的混合结构

4)基于梁的功能梯度的混合结构。

本研究以聚乳酸为原料，采用熔丝制造(FFF)制造。进行了准静态压缩试验，以评估杂交和功能梯度对压缩模量、极限强度、比能吸收和失效性能的影响。

1a通过采用NTOTI软件设计的带参数的圆柱体和带参数的(A-II)设计的格子结构；1b（b-i）具有不同半径和相同高度的三个圆柱体（b-ii）三个基于表面的晶胞，以及（b-iii）三个以梁为基础的晶胞

设计和打印的三种表面晶格结构

设计和印刷的三种基于梁的晶格结构

三种基于表面的功能梯度晶格结构

三种设计和打印的基于梁的功能梯度晶格结构

用晶格结构的图像来测量表面积

压缩试验中不同品系表面基和梁基杂交和功能梯度晶格结构的变形行为

压缩试验后变形的混合和功能分级晶格结构

两种不同晶格结构间加强界面的方法

根据研究，得出以下主要结论:

与混合结构相比，基于表面的功能梯度晶格结构在力学性能上有显著改进。压缩模量分别提高了71.97%、71.86%和5.16%，极限强度分别提高了8.97%、12.15%和36.05%。另外，比能吸收率提高了2.85%，4.76%，19.10%。这些改进可以归因于该晶格结构的独特设计和优化，使其能够经受更高的压缩载荷和应力之前的失败。

基于梁的功能梯度结构展示了不同的机械行为。前两个模型的压缩载荷分别为50.67%和0.59%，第三个模型的压缩载荷分别为34.99%。同样，在第一个模型中，极限强度增加，但在第二个和第三个模型中分别减少。前两个波束模型的比吸收能量增加，而第三个模型的比吸收能量减少12.82%。这些变化可以归因于单元晶格的定位、体积分数和结构内屈曲的发生。

在功能性梯度梁基晶格结构中主要观察到屈曲现象，主要是由于单位单元位置、体积分数和结构几何的变化。单元类型的重新定位导致体积分数的减少，导致支柱的破坏和随后结构的屈曲。

总之，本研究通过对功能梯度放射性杂交晶格结构的设计和优化提供了有价值的见解。研究结果展示了功能梯度结构的优越力学性能，并强调了与梁基结构中屈曲相关的挑战。这些见解可以为未来的研究提供参考，并有助于各种应用的晶格结构的发展，使它们能够在失效之前经受更高的压缩载荷和应力。通过利用独特的混合和功能梯度方法，设计师和工程师能够提高晶格结构的性能和可靠性，能够设计轻量级部件，并扩大其在航空航天、汽车等行业的潜在应用。