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日期: 2019-10-31
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近年来,随着金属3D打印技术的不断发展与进步,多孔结构领域受到越来越多的研究人员关注,多孔结构材料因为其在特定领域具有良好的抗压性、质量轻、密度低、比表面积大、比刚度高、热导率高等优良的综合物理力学性能,已成为一种新颖的功能结构材料,被广泛应用于生物医学航空航天智能机器人、催化剂载体、消音器、换热和阻燃器等领域

 

1 多孔结构在生物医疗中的应用

多孔结构材料是一类包含大量孔隙的材料,主要由形成材料本身基本构架的连续固相和形成孔隙的流体相所组成。多孔材料中的孔隙是设计者和使用者所希望出现的功能相,它们为材料的性能提供优化作用。多孔材料须具备如下两个要素:一是材料中包含大量的孔隙;二是所含孔隙被用来满足某种或某些设计要求以达到所期待的使用性能指标。多孔材料按照材质组成的不同主要分为多孔金属、多孔陶瓷和泡沫塑料。一般的有机和陶瓷等多孔体总是难以同时满足强度、塑性、高温等使用条件的要求,多孔金属材料在一定程度上弥补了以上各类多孔材料的不足,从而得到了迅速的发展。

 

2  多孔结构单元

 

3  三种多孔网格结构的拓扑优化迭代过程

随着多孔结构材料需求逐渐扩大,越来越多的企业逐渐关注起参数化多孔结构设计的应用发展。部分在金属3D打印多孔结构领先的高新技术企业,都已经在多孔材料方面取得突破。广州雷佳增材科技有限公司研发团队利用SLM技术制备了采用体心立方结构CuSn/18Ni300双金属均匀多孔结构,并通过压缩试验对其压缩行为和能量吸收行为进行了研究。该结构兼具CuSn合金具有良好的导热性、延展性和耐腐蚀性,以及18Ni300马氏体马氏体时效钢的高强度特性,可应用于功能集成组件。

 

4  多孔结构材料及压缩性能

广州雷佳增材科技有限公司研发团队提出利用Rhinoceros插件Grasshopper中进行参数化多孔结构的设计,通过调整输入参数来改变所设计多孔结构的类型、孔隙率表面积体积比和平均孔径将参数化建模方法应用于医学植入物中,设计参数化多孔植入物,达到快速建模的效果,如图5所示

 

5  雷佳增材参数化多孔结构建模

广州雷佳增材科技有限公司研发团队发现多孔结构的力学行为根据其断裂性质又分为脆性断裂多孔结构和延性压实失效多孔结构,其原因主要与材料相关,3D打印后为脆性多孔结构(45度断裂特征)主要有Ti6Al4V多孔铝合金多孔,3D打印后为延性压实失效多孔结构主要有316L多孔结构18Ni-300多孔结构等。根据多孔结构是否具有孔隙率的变化又可以分为均匀多孔结构和梯度多孔结构,这两种多孔结构的压缩行为也是不同的。均匀多孔结构的压缩过程一般为均匀压缩,而梯度多孔结构(沿着压缩轴向梯度)压缩过程一般为逐层压缩这主要与孔隙率的变化有关。

 

6  功能梯度材料中局域性能与位置的关系以及天然生物材料中的基本功能梯度设计形式与原则

根据多孔结构的压缩曲线的特征又可以分类为拉伸主导型多孔结构和弯曲主导型多孔结构。根据压缩曲线特征可分为四个区域:弹性区域I),弹塑性崩溃(II),塑性崩溃或不稳定的应力区域(III)和致密化(IV)区域。弯曲主导型的多孔结构压缩曲线有应变硬化趋势,而拉伸主导型多孔结构的压缩曲线在达到第一抗压强度峰值后回落形成应变软化区域

 

7  a)弯曲主导型和(b)拉伸主导型多孔结构的压缩行为的示意图。

 

 

7  广州雷佳增材科技有限公司多孔结构样品

金属3D打印制备多孔结构适用的材料范围广,可以制备复杂的外形, 内部宏观孔隙可控,研制周期短、成本低、材料利用率高,因而显示出巨大的潜力。未来,雷佳增材将大力研发多孔结构材料,不断的深化3D打印在多孔结构领域的应用发展,推动参数化多孔结构设计在生物医学航空航天智能机器人等领域应用。

 


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