铝合金桁架晶格结构的模型建立与激光选区熔化成形可行性分析

2024-04-20白晶斐成都航空职业技术学院航空装备制造产业学院

锻造与冲压 2024年7期

文／白晶斐·成都航空职业技术学院，航空装备制造产业学院

季节·苏州博理新材料科技有限公司

邵长伟·泸州豪能传动技术有限公司

宋海川·华东师范大学

桁架晶格作为一种特殊的空间结构，以其轻量化、高强度和设计灵活性等优点在多个领域得到广泛应用。本文利用晶格设计软件创建了多种单晶胞和阵列晶格模型，并通过SLM 技术实现了铝合金桁架晶格结构的制造。在相同的SLM 成形参数下，应优先选择那些没有或具有较小横向杆结构的阵列晶格。

轻量化可以通过材料轻量化、设计轻量化和结构轻量化来实现。材料轻量化目前主要体现在铝、镁、钛合金以及复合材料的大量应用得以实现，但是设计轻量化和结构轻量化由于传统制造工艺的限制目前进展不大，而3D 打印(增材制造技术)为设计轻量化和结构轻量化开辟了新的途径，其中晶格结构作为增材制造特有的结构轻量化已在航空航天、医疗卫生等领域大量应用。

铝合金以其轻质、高强度和良好的加工性能在多个领域得到了广泛应用。增材制造技术为铝合金的制造提供了新的途径，可以制造出传统加工方法难以实现的复杂结构。在铝合金的应用中，桁架晶格结构可以通过增材制造技术来实现。铝合金的轻质、高强度和良好的可加工性使其成为桁架晶格结构的理想材料之一。通过设计和优化桁架晶格结构，可以制造出既轻便又强大的铝合金部件，适用于航空航天、汽车、建筑和其他需要高性能轻量化结构的领域。其中多孔结构是具有高强度和高韧性的轻质结构，被广泛应用于航空航天、轨道交通、医疗等领域。但传统的制造方式曾制约其发展，近些年随着增材制造技术的日益成熟，已经可以基本满足多孔结构的制造成形需求。

增材制造中的晶格结构都基于一个晶胞单元在多个方向上重复叠加最终构成一个整体。如图1 所示，常见的晶格类别有三类。①TPMS 点阵三重周期性最小表面，如图1 所示。TPMS 当使用三角方程生成晶胞时，会创建例如“gyroid”。TPMS 单元由单元内的所有点组成，像这样的不同但相似的方程会产生不同的TPMS 晶格类型。②桁架晶格，如图2 所示，由相互连接的梁组成，按照单元格定义的各种模式连接起来。桁架可以通过立方体单元的顶点、边和面连接起来，这些连接点的不同组合会产生不同的类型。③平面晶格，如图3 所示，平面晶格是最简单的晶格类型，是在将2D 晶胞挤压成3D 时创建的。最常见的平面晶格类型是蜂窝结构。通过在不同方向上随机改变其参数，这些类型的晶格中的每一种也可以从周期性晶格变为随机晶格。通过在每个方向上赋予结构相似的特性(使其各向同性)，使其在某些应用中可能更具优势。

图1 TPMS 点阵三重周期性最小表面

图2 桁架晶格

图3 平面晶格

桁架晶格是目前机械设计领域最常用晶格类型，桁架晶格是多孔结构的一种，由于结构形式简单而得到了非常广泛的应用。为了深入了解铝合金的增材制造成形过程并优化其性能，本文研究了铝合金桁架金晶格结构的模型建立与增材制造成形。

铝合金桁架晶格结构模型建立

桁架晶格结构

桁架晶格(Truss Lattice)是一种特殊的空间结构，由一系列相互连接的杆件组成，用于形成稳固的框架。这种结构类似于建筑中的桁架，旨在通过最小的材料使用量提供最大的结构强度。在材料科学中，尤其是增材制造领域，桁架晶格结构被用作一种轻量化和增强结构性能的策略。

在桁架晶格中，杆件通常以三角形、四边形或其他多边形形状排列，这些形状能够有效地分散和抵抗外部力量。这种结构的设计允许在保持结构完整性的同时减少材料的使用，从而实现轻量化。

桁架晶格的优缺点

桁架晶格的优势显著，主要体现在以下四个方面：首先，其轻量化设计使得在保持结构刚度和强度的同时，能够显著减少材料的使用，实现高效资源利用；其次，桁架结构具备出色的强度特性，能够有效分散外力，减少应力集中，从而显著增强整体结构的承载能力；再者，桁架晶格的设计极具灵活性，可以根据实际需求调整杆件的形状、尺寸和布局，轻松适应各种应用场景和性能要求；最后，借助先进的增材制造技术，如选择性激光熔化或电子束熔化成形，制造复杂的桁架晶格结构变得轻而易举，进一步拓展了其应用领域。

桁架晶格的单晶胞结构设计

利用苏州博理自研的Super Designer 晶格设计软件，其中关于桁架晶格规划了11 种单晶胞样式，如图4 所示。其中单晶胞的三维尺寸为10mm×10mm×10mm，其中杆径为1.2mm。

图4 11 种单晶胞样式

桁架晶格的阵列结构模型

通过三维建模软件建立30mm×30mm×30mm的正方体模型，导出stl 文件作为晶格体母体模型，利用Super Designer 软件输入导出的母体文件，设置UVW 三方的参数均为3 个，杆径采用单晶胞的参数来执行，最终生成如图5 所示的11 种阵列晶格模型。结构尺寸在X、Y、Z三个方向均相同，杆径为1.2mm，桁架晶格的每个杆径，同一个桁架晶格的直径相同。

图5 11 种阵列晶格样式

铝合金桁架晶格SLM 成形

激光选区熔化方法

激光选区熔化(selective laser melting，SLM)是一种金属粉末在高能束激光作用下完全熔化、快速凝固、逐层堆积的金属材料直接增材制造方法。SLM 成形原理如图6 所示，高能束激光沿成形方向移动过程中，激光光斑中心区域金属粉末以及已凝固部分金属熔化后形成新的熔池，熔池快速凝固后形成零件新的表面，而位于热影响区的已凝固金属在激光移动中经历多次的快速加热及冷却。

图6 SLM 成形原理

铝合金激光选区熔化工艺

本试验采用真空感应熔炼气雾化AlSi10Mg 铝合金粉末，铝作为基材。激光选区熔化成形设备为西安铂力特增材技术股份有限公司设计开发的BLT-A100，如图7所示。设备激光最大输出功率500W，成形零件最大尺寸160mm×160mm×100mm。

图7 激光选区熔化成形设备

铝合金桁架晶格SLM 成形过程

本次试验共打印11 种桁架晶格结构，零件摆放位置如图8 所示，主要工艺参数为激光功率200W、扫描速率1000mm/s，实际打印时长7小时13分58秒。图9 为首层打印的晶格状态，图10 为打印完成后未取基板的状态。

图8 切片预览图

图9 首层打印图

图10 打印完成未拆基板

铝合金桁架晶格SLM 成形评价

桁架晶格成形后如图11 所示，晶格阵列体外观基本成形。微观观察各阵列结构模型，各晶胞阵列晶格结构见图12，其中Tesseract 阵列晶格、Star 阵列晶格、Cross 阵列晶格、Box 阵列晶格、Octet 阵列晶格均出现了断裂和裂缝的成形现象，其中Voronoi阵列晶格结构出现了桁架结构中横向的杆底部结构不完整的情况，而X 阵列晶格、Vintiles 阵列晶格、Terak-Hedron 阵列晶格、Diamond 阵列晶格、Fluorite阵列晶格成形质量较好。

图11 桁架晶格成形图

图12 不同晶格结构

在相同的激光选区熔化(SLM)成形参数条件下，对各类桁架晶格结构的成形结果进行了深入分析。通过对比不同晶格结构的特征，发现Voronoi、Tesseract、Star、Cross、Box 以及Octet 等阵列晶格由于存在较长的横向杆结构，在成形过程中容易出现不同程度的缺陷。这些缺陷中，较轻的表现为杆直径的不均匀性，而较严重的则直接导致杆的断裂。相对而言，X、Vintiles、Terak-Hedron、Diamond 以及Fluorite等阵列晶格的结构特点在于其主体与基板方向形成了45°～60°的夹角。特别是Terak-Hedron 阵列晶格，其横向杆结构较小，因此这些晶格在成形过程中能够保持较为完整的特征，成形质量较高。