3D打印点阵结构：材料疲劳容限设计与制造的力学性能综述

近日，来自挪威科技大学和意大利特伦托大学的研究学者发表顶刊综述文章，讨论了迄今为止在改善金属3D打印点阵结构疲劳性能方面的进展，为全面理解晶格结构中的关键特征做出了贡献，填补了疲劳如何严重降低整体结构完整性的空白。

先进制造工艺的快速发展使超材料晶格结构的制造成为可能。这些轻量化、高性能的结构已迅速在几个主要工业领域获得应用，其全面使用只是时间问题。加速这一应用就必须对其相关参数有一个清晰的了解，并开发先进的方法来评估其机械性能及其在不同载荷条件下的失效机制。

事实上，晶格结构的性能深受工艺缺陷的影响。很多人只看到它具有轻量化、刚度和强度等综合性能，但对疲劳性能却关注甚少。疲劳始终是绝大多数关键结构材料的主要退化机制，尤其是在高温（蠕变疲劳）或不利环境（腐蚀疲劳）下。与刚度和强度的整体特性不同，过早疲劳失效是由局部因素驱动的，如缺陷、微观结构、表面粗糙度等。

航空航天、汽车、医疗领域3D打印点阵结构的应用

3D打印的点阵（蜂窝或晶格）结构特别容易发生疲劳损伤，主要原因有五个：•多孔材料的微结构是整体结构弱化的内在因素，多孔结构由在特定点（称为节点）连接的支柱组成，减少了承载面积并增加了应力集中。

•3D打印的点阵结构通常几何精度差、表面形态复杂，这导致打印完成的实际零件与和设计状态之间存在差异。

•对最小可打印细节尺寸（如桁架厚度和圆角半径）存在技术限制。对于精细特征尺寸，所需几何结构和实际几何结构之间不可避免的差异使传统的通过设计来减少局部应力集中的措施变得不再有用（如支柱尺寸逐渐过渡、支柱之间边缘平滑或应力释放槽）。

•相对于打印方向的支柱倾斜角度也是必须考虑的因素。倾斜支柱由松散粉末支撑，粉末的热导率低于固体，不同的热条件可能产生独特的微观结构和高度不规则的表面形态。

•疲劳比任何其他机械性能更受制造工艺的影响，已有很多研究强调了缺陷的重要性。

3D打印零件的表面粗糙度包括大量的局部缺陷（也称为微缺口），这些缺陷是疲劳裂纹萌生的潜在位置。3D打印技术参考曾详述金属材料的缺陷种类及其对疲劳性能的影响，在此我们不再展开讨论（请查看延伸阅读）。几何缺陷也会对点阵结构的力学行为产生影响，为了在疲劳预测过程中采用更准确的实际晶格结构，可以使用CT扫描技术，在此方面北理工方岱宁院士团队有详细研究。

北理工方岱宁院士团队3D打印的晶格结构和拉伸试样

很多有关晶格材料的文献表明，大多数疲劳设计方法都依赖于实验，而这些实验是为处理选定的晶格结构和材料而定制的，既费时又昂贵。另一方面，现有的理论方法似乎缺乏准确性，主要是因为它们的简化方法可能无法捕捉晶格结构中的真实应力分布。在没有残余应力的情况下，可能影响晶格结构疲劳行为的变化源除了上面提到的几点外，还可能包括晶格结构中的支柱连接，这也是本综述关注的重点。

多孔材料示例：（A）闭孔泡沫（B） 开放式单元格（C） 规则点阵

设计和制造具有具有足够抗疲劳的材料并能够可靠预测其安全寿命是一个巨大的挑战。

该综述文章总结了大量基于晶格结构的文献，以确定这些结构的潜在和主要局限性，特别强调它们在承受循环疲劳载荷时的情况。研究人员的目的是“填补空白”，全面了解晶格结构中的关键特征——疲劳如何严重降低其整体结构完整性，并就如何解决这一问题提供完整和最新的技术。

有限元分析已经在使用晶格结构的实际几何形状，以比较真实几何体和标称CAD几何体中的应力状态，从而定性地将数值结果与实验疲劳数据相关联。通过对试样进行显微CT扫描获得了打印完成的实际几何结构，以此对支柱连接处的应力分布进行的有限元分析表明，模型中的应力集中程度较高；然而，模拟值仍然低于实验中预期的应力集中程度。据报道，这是由于为了将有限元模型网格化而执行的平滑程序使表面切口的严重程度降低了，尽管结构中存在残余应力，在消除应力后也会显著影响数值分析的精度。

具有相同相对密度、弯曲和拉伸为主的多孔材料的典型压缩过程：1）线弹性状态 2）屈服后 3）致密化

在单轴疲劳荷载作用下，局部应力的存在将导致晶格中的应力呈现多轴、非对称和不均匀状态。因此，对于这些复杂结构，应采用能够解决平均应力和应力梯度下应力多轴性的疲劳准则。Boniotti等人报告了针对这些特定点的疲劳预测策略的主要结果，在对晶格的微观CT结构模型进行应力分析后，采用临界距离理论进行疲劳寿命预测。为了解决多轴问题，根据Sines提出的等效vo****es应力计算了应力幅值。在这种情况下，对于每个节点，在其周围的球形控制体积中确定平均等效应力振幅。控制体积的半径设置为El Haddad的尺寸参数，该参数是从相同材料的疲劳评估中获得的。当局部等效应力幅值大于材料的疲劳强度时，疲劳裂纹萌生将在有限元模型中发生。使用这种方法，能够成功预测疲劳寿命和失效位置。

END

晶格结构可以设计或定制，以实现特定的结构功能和性能要求。它们具有比表面积大、质量低、重复结构规则、孔隙连通性好等优点，因而具有很高的应用价值。

3D打印可以对点阵材料的微结构甚至多尺度结构进行全面而精确的控制。然而，缺陷和不完善是不能完全消除的。由于晶格表面的均匀化和提高其结构延性的可能性，对其进行特殊的后热处理可以显著提高疲劳寿命。

来源：3D打印参考