3D打印多孔鋁在車輛碰撞吸能中的研究

摘?要：主要對3D打印的多孔鋁材料在車輛碰撞過程中吸能性能進(jìn)行分析，通過研究發(fā)現(xiàn)，多孔鋁材料在平臺區(qū)吸能效果最好，孔徑的大小對多孔鋁材料的吸能性能有很大的影響，細(xì)化孔徑是提高多孔鋁吸能能力的有效途徑。

關(guān)鍵詞：3D打印;多孔鋁;吸能

中圖分類號：U463?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.11.018

Abstract： The energy absorption performance of 3D printed porous aluminum material during vehicle collision is analyzed. It is found that the porous aluminum material has the best energy absorption effect in platform area， the pore size has a great influence on the energy absorption performance of porous aluminum materials， and refining pore size is an effective way to improve the energy absorption capacity of porous aluminum materials.

Keywords： 3D printing;porous aluminum;energy absorption

作者簡介：譚錚（1980-），男，土家族，湖南常德人，碩士，講師，研究方向：機(jī)械制造。

0?引言

3D打印技術(shù)，是以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為基礎(chǔ)，通過切片軟件對模型進(jìn)行分層和數(shù)控成型系統(tǒng)的控制，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料等特殊材料進(jìn)行逐層堆積粘結(jié)，最終疊加成型，打印出實(shí)體產(chǎn)品。3D打印技術(shù)屬于“增材加工”技術(shù)的一種，與傳統(tǒng)的“減材加工”技術(shù)制造理念截然不同。傳統(tǒng)的制造技術(shù)一般是在原材料基礎(chǔ)上，通過車銑刨磨等工藝方法，將多余部分去除，得到零部件，進(jìn)而通過焊接、拼裝等方法形成最終產(chǎn)品，整個生產(chǎn)過程需要消耗大量的人力、物力和財(cái)力。而3D打印技術(shù)的生產(chǎn)過程不需要模具和加工機(jī)床，在理論上可以打印生產(chǎn)任何形狀的產(chǎn)品，大大縮短了研發(fā)周期，減少了原材料的消耗，提高了生產(chǎn)效率。

多孔鋁是一種以鋁或鋁合金作為基體，由金屬骨架和孔隙作為復(fù)合相的金屬材料，里面含有大量的胞元結(jié)構(gòu)和孔隙。具有一系列優(yōu)異的物理性能，熱導(dǎo)率低、耐蝕性好、質(zhì)量輕并且具有良好的吸能特性和高比剛度，耐高溫，是一種不可燃材料。由于多孔鋁的彈性變形可吸收一部分機(jī)械沖擊能，因此能量吸收性能是多孔鋁材料的一個重要用途，在汽車沖擊區(qū)使用多孔鋁制成適當(dāng)?shù)脑?，可控制最大能耗的變形，提高汽車整體的安全性能。

1?實(shí)驗(yàn)

1.1?試樣制備

委托株洲夏普高新材料有限公司以鋁合金粉為原料，采用電子束熔融技術(shù)（Electron Beam Melting， EBM）制造出多孔鋁合金材料，共制造3組試樣，如表1所示。

2?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上對試樣進(jìn)行測試，試樣放在實(shí)驗(yàn)機(jī)底板的中心位置，上面的鋼板向下運(yùn)動，速度為5 mm·min-1，實(shí)驗(yàn)中，為了消除塑料變形對彈性變形區(qū)應(yīng)力—應(yīng)變曲線加載斜率的影響，在加載負(fù)荷到達(dá)抗壓強(qiáng)度的80%時卸載，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2和圖1所示。

多孔鋁的壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線具有三個階段：分別是彈性區(qū)、平臺區(qū)和密實(shí)區(qū)。初期的彈性變形，時間短暫，與實(shí)體金屬的變形相同，其結(jié)構(gòu)關(guān)系可以表示為

在單向應(yīng)力下，σ2=0。接下來的形變發(fā)生在平臺區(qū)，應(yīng)變不斷增大，但是應(yīng)力的變化不大，在這一階段，材料內(nèi)部出現(xiàn)屈服或失穩(wěn)現(xiàn)象。實(shí)體鋁合金的形變符合Von Mises準(zhǔn)則，當(dāng)有效應(yīng)力σe達(dá)到屈服應(yīng)力σs時，材料將產(chǎn)生塑性變形，其屈服函數(shù)可表示為

多孔鋁和實(shí)體鋁不同，其彈性范圍很小，在超出這個范圍以后，多孔鋁就會發(fā)生屈服、失穩(wěn)和斷裂，然后被壓緊實(shí)，因此，不滿足Von Mises準(zhǔn)則，通過實(shí)驗(yàn)分析，得出多孔鋁的塑料變形屈服函數(shù)

最后的密實(shí)化階段，多孔鋁的剛度陡然增強(qiáng)，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象。在沖擊過程中，有平臺應(yīng)力的材料吸能性更強(qiáng)，防護(hù)作用更好。

當(dāng)多孔鋁材料承載時，外部施加的力就會做功，多孔鋁材料變形達(dá)到應(yīng)變ε過程中吸收的能量，等于應(yīng)力—應(yīng)變曲線下一直到應(yīng)變ε的面積。多孔鋁材料的吸能性可以用單位體積多孔材料壓縮到應(yīng)變量為ε過程中所吸收的能量W來表示

從實(shí)驗(yàn)的3組多孔鋁試樣可以發(fā)現(xiàn)，隨著孔徑的增大，材料的吸能量、比吸能、平均載荷和壓縮力效率都隨之下降。所以，多孔鋁材料的吸能性與孔徑的大小有密切的關(guān)系，孔徑越小吸能性越好。

3?結(jié)論

（1）多孔鋁具有優(yōu)異的吸能能力，吸能過程主要發(fā)生在平臺區(qū)，平臺區(qū)越長越高，吸能效果越好。

（2）孔徑的大小對多孔鋁吸能影響非常大，細(xì)化孔徑是提高多孔鋁吸能能力的有效途徑。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃健，姜山.3D打印技術(shù)將掀起“第三次工業(yè)革命” [J].新材料產(chǎn)業(yè)，2013（1）：62-67.

[2]?程美. 3D打印技術(shù)及其對汽車設(shè)計(jì)的影響[J].汽車工程師，2015（10）：13-15.

[3]?奚正平，湯慧萍，王建永，等.金屬多孔材料力學(xué)性能的研究[J].稀有金屬材料與工程，2007（3）：555-558.

[4]?楊海鷗，林鑫，陳靜，等.利用激光快速成形技術(shù)制造高溫合金不銹鋼梯度材料[J].中國激光，2005，32（4）：567-570.

[5]?李洋，陳長軍，王曉南，等.選區(qū)激光熔化技術(shù)制備316L多孔不銹鋼工藝及性能研究[J].應(yīng)用激光，2015，35（3）：319-323.

[6]?趙婧.3D打印技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究與前景展望[D].太原：太原理工大學(xué)，2014.

[7]?米林，魏顯坤，萬鑫銘，等.鋁合金保險(xiǎn)杠吸能盒碰撞吸能特性[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，26（6）：1-7.