3D打印蜂窩結(jié)構(gòu)的抗壓吸能性能研究

邱月 王俊成 侯宇翔 陳嘉龍 安棟

摘 ? 要：蜂窩結(jié)構(gòu)是理想的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，其抗壓、抗沖能力和吸能性能較好。文章以圓形、六邊形為例，采用3D打印技術(shù)制備蜂窩結(jié)構(gòu)，通過單軸壓縮實驗研究了組合蜂窩的抗壓、抗沖能力和吸能性能。

關(guān)鍵詞：3D打印;蜂窩結(jié)構(gòu);吸能

蜂窩結(jié)構(gòu)孔隙多、相對密度小，是理想的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。由于它的強度、剛度與變形能力較優(yōu)秀，常被作為吸能減震構(gòu)件。蜂窩的結(jié)構(gòu)和組合對其抗壓、抗沖能力和吸能性能是研究的熱點。由于蜂窩結(jié)構(gòu)相對簡單、可以復(fù)制相同部分構(gòu)成、大小形狀均可控，在飛行器、汽車、礦業(yè)等領(lǐng)域均有大量應(yīng)用。王博等[1]開展了Kagome、正三角形和菱形蜂窩結(jié)構(gòu)的面內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)行為實驗研究，研究結(jié)果表明，蜂窩形狀的改變和周期性排布會對整體變形模式及能量吸收性能產(chǎn)生較大的影響。鄂玉萍等[2]建立蜂窩紙板的能量吸收理論預(yù)報模型，構(gòu)建緩沖材料吸能特性表征方法。王志偉等[3]應(yīng)用試驗方法和有限元技術(shù)研究和分析蜂窩紙板的動態(tài)沖擊壓縮過程，研究了蜂窩紙板的沖擊承載能力和能量吸收能力。

3D打?。?D Printing）也叫增材制造（Additive Manufacturing），是一種全新的制造技術(shù)[4]，該技術(shù)在成形原理上采用了層層疊加的方式，加工工藝不受實體原形復(fù)雜程度的影響[5]，可以實現(xiàn)具有復(fù)雜外輪廓形狀的熔積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）。

本文以六邊形、圓形、半圓形為例，采用3D打印技術(shù)制備了3種蜂窩結(jié)構(gòu)，通過組合、剪切、融合對比研究了不同形狀組合蜂窩的抗壓、抗沖能力和吸能性能。

1 ? ?蜂窩結(jié)構(gòu)模型

1.1 ?模型建立

以六邊形、圓形、半圓形為例，建立蜂窩結(jié)構(gòu)，構(gòu)件平面尺寸為186 mm×162 mm，壁厚2 mm，六邊形邊長20 mm，如圖1所示。圓形半徑22 mm。通過組合、剪切、融合建立了不同形狀的組合蜂窩。采用建模軟件建立蜂窩構(gòu)件的三維模型，如圖2所示。stl格式的模型通過gcode語言編譯成與3D打印適配的模型。

1.2 ?模型打印

傳統(tǒng)的試件制作方法需要大型設(shè)備成型，塑料材料需要模具，金屬材料需要高溫，混凝土需要支模。3D打印改變了舊有的方式，采用層層疊加的方式將熔化的材料堆積成型，可以實現(xiàn)復(fù)雜的造型。本文蜂窩結(jié)構(gòu)成型在上述建模的基礎(chǔ)上，采用3D打印機將模型一次成型，如圖3所示。

1.3 ?模型材料

3D打印采用熔積成型，受限于3D打印機，本文采用PLA材料，是3D打印中常用的材料，其熱穩(wěn)定性好，加工溫度為170～230 ℃，有良好的抗溶劑性，可生物降解，光澤度、透明性、手感和耐熱性好，還具有一定的阻燃性，用途廣泛。3D打印成型的蜂窩構(gòu)件如圖4所示。

2 ? ?模型壓縮實驗

2.1 ?實驗設(shè)備

對3D打印完成的蜂窩構(gòu)件進行單軸壓縮實驗，加載所采用的壓力試驗機如圖5所示。

2.2 ?實驗結(jié)果

單軸壓縮的蜂窩構(gòu)件變形如圖6所示，可以看出，蜂窩構(gòu)件主要變形來自蜂窩側(cè)壁。六邊形蜂窩的組成單元六邊形經(jīng)歷變形、錯位和壓扁等過程，圓形蜂窩經(jīng)歷變形、橢圓化和壓扁等過程，整體變形較為類似。多個構(gòu)件的外壁均產(chǎn)生外凸，說明蜂窩構(gòu)件整體的外壁對壓縮變形很重要，外壁對保持蜂窩結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性很重要。圖7為蜂窩構(gòu)件單軸壓縮實驗得到的荷載位移曲線，可以看出，圓形蜂窩的承載力和變形較大，符合典型的吸能構(gòu)件荷載位移曲線（見圖8（a））。六邊形蜂窩作為蜂窩結(jié)構(gòu)最重要的形式也有其特點，雖然峰值荷載較高，但波動較大。圓形蜂窩+半圓形的構(gòu)件荷載波動最小，且變形較大，雖然后期有所升高，但比較符合理想的吸能構(gòu)件的變形曲線（見圖8（b））。

3 ? ?結(jié)語

本文采用3D打印技術(shù)制備了圓形、六邊形等蜂窩結(jié)構(gòu)，通過單軸壓縮實驗研究了組合蜂窩的抗壓、抗沖能力和吸能性能。本文研究的幾種蜂窩結(jié)構(gòu)中，圓形+半圓形組合的蜂窩，變形曲線比較符合理想的吸能曲線，荷載位移曲線波動較小，變形較大。3D打印技術(shù)可用于小構(gòu)件的快速實現(xiàn)，能夠用于結(jié)構(gòu)實驗中。

[參考文獻]

[1]王博，張雄，徐勝利.2D周期蜂窩結(jié)構(gòu)面內(nèi)靜動態(tài)壓縮力學(xué)行為研究[J].力學(xué)學(xué)報，2009（2）：274-281.

[2]鄂玉萍，王志偉.紙質(zhì)緩沖材料能量吸收特性研究進展[J].振動與沖擊，2010（5）：40-45，238-239.

[3]王志偉，姚著.蜂窩紙板沖擊壓縮的試驗研究和有限元分析[J].機械工程學(xué)報，2012（12）：49-55.

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[5]劉媛媛，張付華，陳偉華，等.面向3D打印復(fù)合工藝的生物CAD/CAM系統(tǒng)及試驗研究[J].機械工程學(xué)報，2014（15）：147-154.

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