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微点阵圆柱壳结构的原位同步X射线断层扫描研究

发布时间:2022-05-09      点击次数:189

轻质的点阵超材料在散热、隔音、承载和能量吸收领域具有极大的应用前景。近年来,具有仿生结构特征的新型微点阵壳体曲面结构,尤其是基于三周期最小曲面的微点阵壳结构得到学术界和工业部门的广泛关注。相关的研究发现这类微点阵壳结构在吸收能量方面显著优于同等重量的微点阵桁架结构。然而,目前关注度高的微点阵壳结构主要是在笛卡尔坐标系下设计的周期性排布最小曲面的立方壳结构,在很多具有圆柱构型的工程装备应用中具有一定的局限性,而基于三周期最小曲面的微点阵圆柱壳结构鲜有报道。


伴随着3D打印行业的发展,越来越多的3D打印技术被用于微点阵结构的制备与相关力学研究。然而,制造过程中不可避免地都会在材料内部产生随机的几何缺陷,这些缺陷将会对宏观结构的力学性能产生较大的影响。目前,已有大量关于选择性激光熔融技术或者电子束熔融技术的制造缺陷对结构力学性能影响的报道。但是对于具有更小尺度的、更高精度的微点阵结构,特别是结构更为复杂的三周期最小曲面的微点阵壳结构,受限于其加工难度,鲜少有其相关的缺陷力学影响研究。而面投影立体光刻技术(PμSL)的出现,其亚微米级的光学精度可以促使更加精细、微小尺寸的微点阵结构得到精准制备,极大地推动了微点阵结构在多功能化的进展。


基于上述背景,北京理工大学李营课题组、上海交通大学吴文旺课题组研究了采用PμSL 3D打印技术(2μm光学精度打印系统nanoArch S130,摩方精密)制备的基于三周期最小曲面的微点阵圆柱壳结构(P-TPMS)的力学行为。同时采用原位同步X射线断层扫描三维成像技术和间断原位压缩实验来量化缺陷对压缩力学性能的影响。研究结果表明,沿垂直方向的厚度大于沿水平方向的厚度。另外,为了明确制造缺陷对力学行为的影响,研究团队建立了三种不同的有限元分析模型。仿真结果表明,与理想模型和真实几何重建模型相比,统计模型具有更高的精度和效.率。最后,针对厚度缺陷对壳体力学性能的影响进行了参数化的研究。该研究成果,以“In-situ synchrotron X-ray tomography investigation of the imperfect smooth-shell cylinder structure"为题发表在Composite Structures上。




1. (a) P-TPMS微点阵圆柱壳结构的设计示意图;(b) 打印模型示意图 (c) 相应的结构参数示意图


2. 打印过程示意图(nanoArchS130,摩方精密)


3 打印样件的光学显微镜图片


4. 原位同步X射线断层扫描设备


表格:三种模型的性能参数与计算时间