3D打印研究突破性进展：马前教授团队研发节点加固技术

32度域打印行业信息部门于近日发现，马前教授团队在Scripta Materialia上发表了一篇名为“Node-reinforced hollow-strut metal lattice materials for higher strength”的研究文章，这篇研究彻底改变了我们对空心支柱金属晶格材料的看法。

空心支柱金属晶格材料，听起来就挺高大上的吧？

没错，它是新型晶格材料的代表，跟以前的晶格结构比起来，它的支柱和节点都是空心的，形成了一套相互连接的通道网络。

这种设计在相同的相对密度下，比实心支柱晶格结构效率更高。简单来说，就是用更少的材料，达到了更强的效果。

不过，虽然效率高，但这种新型材料也有个问题：空心节点太脆弱，容易导致过早失效。就像你买了一辆跑车，结果车轱辘不结实，一跑就坏，你说糟心不糟心？

研究人员们显然也注意到了这个问题，他们琢磨着：加厚节点壁吧，好像能行，但总觉得有点治标不治本。于是，墨尔本理工大学的研究人员开始尝试一种全新的思路——设计专门的亚毫米节点加固方法。

这个方法不仅能提高强度和刚度，还得保证3D打印的时候粉末能顺利流出，不会堵塞空心支柱。

为了验证这个设计理念，研究人员选择了简单立方格子作为试验品。简单立方格子拓扑结构中的垂直支柱（也就是承重比较大的部分）和水平支柱的数量比很高，是结构效率最高的设计之一。而且，节点数量还少，加固起来也方便。

他们提出了三种加固策略，咱们来一一看看：

第一种，是在支柱节点内部垂直交叉加强。想象一下，你原来只有一个空心的节点，现在里面加了两个交叉的加强板，是不是就稳多了？

第二种，是在节点处管壁内外设置非接触加强筋。这就像是给节点穿上了一层“防弹衣”，虽然不直接接触，但也能提供额外的保护。

第三种，是在节点处沿管壁外侧设置加强筋。这个就像是给节点外面加了一圈“围栏”，防止它变形。

研究人员制造了这些钛合金晶格结构，并用微焦点计算机断层扫描（µCT）进行了检查。结果显示，所有空心支柱晶格中都没有粉末留存，包括那些带有内部节点增强的格子。这意味着他们的打印过程非常成功，粉末没有堵塞空心支柱。

接下来是重头戏——压缩应力-应变测试。

测试发现，与未加固的晶格相比，这三种加固策略的晶格屈服强度和杨氏模量都大幅增加。其中，第一种加固方式的晶格结构屈服强度增加了122%，密度增加了24%；第二种增加了114%，密度增加了17%；第三种增加了101%，密度增加了18%。

这意味着什么？意味着这些加固后的空心支柱晶格结构比未加固的实心支柱晶格还要强！而且，它们的结构效率也更高。在实际测试中，三种加固策略的晶格结构峰值应力分别超过了现有实心支柱格子的峰值应力42%、31%和35%。

研究人员还对比了不同材料的晶格结构，发现节点增强的空心支柱晶格都位于经验上限之上，这表明金属晶格具有以前无法实现的高结构效率。无论晶胞如何拓扑，节点增强的空心支柱晶格都优于未增强的空心支柱晶格和等效相对密度的现有实心支柱晶格。

那这些加固后的晶格结构在失效模式下表现如何呢？

研究人员发现，未增强的空心支柱晶格在节点区域达到屈服阶段时，会先出现节点椭圆化，然后随着载荷的增加而局部坍塌。而加固后的晶格结构则显著减少了节点椭圆化，表现出更均匀的应力分布。

为了更深入地了解这些加固策略的效果，研究人员还进行了有限元模拟。

模拟结果显示，节点增强的局部屈服阻力比未增强时高约50%。这意味着加固后的节点能够更有效地抵抗变形和断裂。

马前教授团队提出的三种节点加固策略，不仅显著提高了空心支柱金属晶格材料的强度和刚度，还保持了较高的结构效率。这些加固后的晶格结构在实际测试中表现出色，峰值应力超过了现有实心支柱格子。其中，内部节点加固策略产生了最佳的机械性能，但为了避免粉末堵塞，需要使用足够宽的中空通道。在这方面，内部-外部节点加固策略提供了一个有吸引力的选择。

这项研究不仅为空心支柱金属晶格材料的设计提供了新的思路和方法，也为3D打印技术在高性能材料领域的应用开辟了更广阔的前景。咱们可以期待一下，未来这些加固后的晶格结构会在哪些领域大放异彩！