航空航天晶格結構增材制造：基本分類與特性

晶格結構，作為無間隙的填充空間單元，通過重復形狀的圖案發展而來，因其在工程應用中展現出的減重潛力及高強度重量比而備受矚目。在晶格結構這一概念引入之前，還有蜂窩及開孔和閉孔泡沫材料，均被稱之為蜂窩結構。然而，晶格結構與泡沫和蜂窩結構在單元細胞的類型、形狀、尺寸及性質上存在顯著差異。

在泡沫結構中，單元形狀隨機，其單元壁在空間中的方向亦無固定規律。有研究對金屬泡沫給出了更明確的定義，指出其孔隙率在40%至98%之間。金屬泡沫作為一種廣泛存在的蜂窩結構類型，其實例廣泛存在于諸如軟木、松質骨和木材等材料中。

(a) 泡沫結構(b) 蜂窩結構 (c) 負泊松比結構(d) 晶格結構 (e) 周期性晶格結構(f) 按單元尺寸漸變(g) 按晶格厚度漸變(h) 共形晶格(i) 隨機晶格結構(j) 混合晶格

相反，蜂窩結構以其擠壓成型的單元為特征，這些單元形狀統一且大小相同。基于二維平面上重復的單元形狀可以被分類為四面體、三棱柱、四棱柱、六棱柱等。目前，負泊松比結構的蜂窩結構子類引起了廣泛關注。與傳統蜂窩結構相比，這些結構在拉伸方向上會橫向擴展，從而增加了其剪切模量、斷裂剛度和抗凹痕能力。

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另一方面，晶格結構是通過在空間中排列具有邊和面的單元細胞而形成的建筑配置。基于三維設計空間中單元細胞的排列方式，晶格結構可進一步細分為周期性結構和偽周期性晶格結構。

在周期性結構中，單元以不改變其特性的方式排列。而在偽周期性晶格結構中，單元的特性（如類型、大小和厚度）會發生變化。這種單元的大小和厚度的變化分別被稱為按大小梯度和按厚度梯度。按大小梯度涉及一種復制模式，其中單元的大小沿指定方向逐漸變化，而元素的厚度保持不變。相反，在按厚度梯度中，單元大小保持不變，但元素的厚度會發生變化。此外，梯度還可以通過改變細胞大小、類型和厚度來獲得。

共形晶格結構

共形晶格結構的特點是其細胞在長度和形狀上發生非均勻變化，使得復制模式能夠跟隨部件的邊界。此外，隨機模式，也稱為隨機晶格結構，其特征在于細胞或支柱以周期性模式排列，但在大小、形狀和方向上存在隨機變化。這種結構不應與隨機泡沫相混淆，隨機泡沫由分布在固體基質中的不規則形狀的單元或空隙組成。另一類晶格結構是混合晶格結構，其中不同類型的單元被排列以獲得特定的性能。

此外，有文獻還概述了增材制造中常用的不同類型單元拓撲結構，包括基于支柱和基于表面的晶格結構。在基于支柱的結構中，如廣泛討論的參考文獻所述，位于單元細胞頂點或邊緣（有時也位于細胞內部）的節點通過薄而直的元件連接，這些元件通常被稱為支柱或橫梁。這些單元細胞具有實心和空心桁架變體，具有多種細胞形狀，包括簡單立方、體心立方（BCC）、面心立方（FCC）和八角形桁架等。關于基于表面的單元，可以區分基于平板的晶格和三重周期最小表面（TPMS）細胞。基于平板的晶格由二維平面層組成，這些層組合起來形成三維對象。在3D打印中常用的平面結構包括可能具有六邊形或三角形單元細胞的晶格。與基于橫梁的晶格相比，它們通常更堅硬，但重量更大且難以打印。

基于支柱和表面的單元

另一方面，三重周期最小表面（TPMS）單元因其邊界表面在每一點上都具有零平均曲率而受到廣泛關注，這種設計靈感來源于生物結構。由于其幾何特性能夠實現與表面相關的各種性能，如可制造性、流體滲透性、電導率和熱導率，因此它們作為功能梯度結構具有重要意義。TPMS是數學上定義的非自相交表面，它們形成周期性的三維圖案，并局部最小化表面積。這些表面將體積劃分為單個連通組件，并可以使用基于諧波函數的水平集技術來創建。

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TPMS結構主要分為片材TPMS和骨架TPMS。在片材TPMS中，表面被加厚以形成固體結構；而在骨架TPMS中，TPMS分隔的體積被填充以創建固體結構。這些結構沒有節點和曲率不連續，從而減少了應力集中并增強了強度。

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