鋁合金桁架晶格結構的模型建立與激光選區熔化成形可行性分析

文／白晶斐·成都航空職業技術學院，航空裝備制造產業學院

季節·蘇州博理新材料科技有限公司

邵長偉·瀘州豪能傳動技術有限公司

宋海川·華東師范大學

桁架晶格作為一種特殊的空間結構，以其輕量化、高強度和設計靈活性等優點在多個領域得到廣泛應用。本文利用晶格設計軟件創建了多種單晶胞和陣列晶格模型，并通過SLM 技術實現了鋁合金桁架晶格結構的制造。在相同的SLM 成形參數下，應優先選擇那些沒有或具有較小橫向桿結構的陣列晶格。

輕量化可以通過材料輕量化、設計輕量化和結構輕量化來實現。材料輕量化目前主要體現在鋁、鎂、鈦合金以及復合材料的大量應用得以實現，但是設計輕量化和結構輕量化由于傳統制造工藝的限制目前進展不大，而3D 打印(增材制造技術)為設計輕量化和結構輕量化開辟了新的途徑，其中晶格結構作為增材制造特有的結構輕量化已在航空航天、醫療衛生等領域大量應用。

鋁合金以其輕質、高強度和良好的加工性能在多個領域得到了廣泛應用。增材制造技術為鋁合金的制造提供了新的途徑，可以制造出傳統加工方法難以實現的復雜結構。在鋁合金的應用中，桁架晶格結構可以通過增材制造技術來實現。鋁合金的輕質、高強度和良好的可加工性使其成為桁架晶格結構的理想材料之一。通過設計和優化桁架晶格結構，可以制造出既輕便又強大的鋁合金部件，適用于航空航天、汽車、建筑和其他需要高性能輕量化結構的領域。其中多孔結構是具有高強度和高韌性的輕質結構，被廣泛應用于航空航天、軌道交通、醫療等領域。但傳統的制造方式曾制約其發展，近些年隨著增材制造技術的日益成熟，已經可以基本滿足多孔結構的制造成形需求。

增材制造中的晶格結構都基于一個晶胞單元在多個方向上重復疊加最終構成一個整體。如圖1 所示，常見的晶格類別有三類。①TPMS 點陣三重周期性最小表面，如圖1 所示。TPMS 當使用三角方程生成晶胞時，會創建例如“gyroid”。TPMS 單元由單元內的所有點組成，像這樣的不同但相似的方程會產生不同的TPMS 晶格類型。②桁架晶格，如圖2 所示，由相互連接的梁組成，按照單元格定義的各種模式連接起來。桁架可以通過立方體單元的頂點、邊和面連接起來，這些連接點的不同組合會產生不同的類型。③平面晶格，如圖3 所示，平面晶格是最簡單的晶格類型，是在將2D 晶胞擠壓成3D 時創建的。最常見的平面晶格類型是蜂窩結構。通過在不同方向上隨機改變其參數，這些類型的晶格中的每一種也可以從周期性晶格變為隨機晶格。通過在每個方向上賦予結構相似的特性(使其各向同性)，使其在某些應用中可能更具優勢。

圖1 TPMS 點陣三重周期性最小表面

圖2 桁架晶格

圖3 平面晶格

桁架晶格是目前機械設計領域最常用晶格類型，桁架晶格是多孔結構的一種，由于結構形式簡單而得到了非常廣泛的應用。為了深入了解鋁合金的增材制造成形過程并優化其性能，本文研究了鋁合金桁架金晶格結構的模型建立與增材制造成形。

鋁合金桁架晶格結構模型建立

桁架晶格結構

桁架晶格(Truss Lattice)是一種特殊的空間結構，由一系列相互連接的桿件組成，用于形成穩固的框架。這種結構類似于建筑中的桁架，旨在通過最小的材料使用量提供最大的結構強度。在材料科學中，尤其是增材制造領域，桁架晶格結構被用作一種輕量化和增強結構性能的策略。

在桁架晶格中，桿件通常以三角形、四邊形或其他多邊形形狀排列，這些形狀能夠有效地分散和抵抗外部力量。這種結構的設計允許在保持結構完整性的同時減少材料的使用，從而實現輕量化。

桁架晶格的優缺點

桁架晶格的優勢顯著，主要體現在以下四個方面：首先，其輕量化設計使得在保持結構剛度和強度的同時，能夠顯著減少材料的使用，實現高效資源利用；其次，桁架結構具備出色的強度特性，能夠有效分散外力，減少應力集中，從而顯著增強整體結構的承載能力；再者，桁架晶格的設計極具靈活性，可以根據實際需求調整桿件的形狀、尺寸和布局，輕松適應各種應用場景和性能要求；最后，借助先進的增材制造技術，如選擇性激光熔化或電子束熔化成形，制造復雜的桁架晶格結構變得輕而易舉，進一步拓展了其應用領域。

桁架晶格的單晶胞結構設計

利用蘇州博理自研的Super Designer 晶格設計軟件，其中關于桁架晶格規劃了11 種單晶胞樣式，如圖4 所示。其中單晶胞的三維尺寸為10mm×10mm×10mm，其中桿徑為1.2mm。

圖4 11 種單晶胞樣式

桁架晶格的陣列結構模型

通過三維建模軟件建立30mm×30mm×30mm的正方體模型，導出stl 文件作為晶格體母體模型，利用Super Designer 軟件輸入導出的母體文件，設置UVW 三方的參數均為3 個，桿徑采用單晶胞的參數來執行，最終生成如圖5 所示的11 種陣列晶格模型。結構尺寸在X、Y、Z三個方向均相同，桿徑為1.2mm，桁架晶格的每個桿徑，同一個桁架晶格的直徑相同。

圖5 11 種陣列晶格樣式

鋁合金桁架晶格SLM 成形

激光選區熔化方法

激光選區熔化(selective laser melting，SLM)是一種金屬粉末在高能束激光作用下完全熔化、快速凝固、逐層堆積的金屬材料直接增材制造方法。SLM 成形原理如圖6 所示，高能束激光沿成形方向移動過程中，激光光斑中心區域金屬粉末以及已凝固部分金屬熔化后形成新的熔池，熔池快速凝固后形成零件新的表面，而位于熱影響區的已凝固金屬在激光移動中經歷多次的快速加熱及冷卻。

圖6 SLM 成形原理

鋁合金激光選區熔化工藝

本試驗采用真空感應熔煉氣霧化AlSi10Mg 鋁合金粉末，鋁作為基材。激光選區熔化成形設備為西安鉑力特增材技術股份有限公司設計開發的BLT-A100，如圖7所示。設備激光最大輸出功率500W，成形零件最大尺寸160mm×160mm×100mm。

圖7 激光選區熔化成形設備

鋁合金桁架晶格SLM 成形過程

本次試驗共打印11 種桁架晶格結構，零件擺放位置如圖8 所示，主要工藝參數為激光功率200W、掃描速率1000mm/s，實際打印時長7小時13分58秒。圖9 為首層打印的晶格狀態，圖10 為打印完成后未取基板的狀態。

圖8 切片預覽圖

圖9 首層打印圖

圖10 打印完成未拆基板

鋁合金桁架晶格SLM 成形評價

桁架晶格成形后如圖11 所示，晶格陣列體外觀基本成形。微觀觀察各陣列結構模型，各晶胞陣列晶格結構見圖12，其中Tesseract 陣列晶格、Star 陣列晶格、Cross 陣列晶格、Box 陣列晶格、Octet 陣列晶格均出現了斷裂和裂縫的成形現象，其中Voronoi陣列晶格結構出現了桁架結構中橫向的桿底部結構不完整的情況，而X 陣列晶格、Vintiles 陣列晶格、Terak-Hedron 陣列晶格、Diamond 陣列晶格、Fluorite陣列晶格成形質量較好。

圖11 桁架晶格成形圖

圖12 不同晶格結構

在相同的激光選區熔化(SLM)成形參數條件下，對各類桁架晶格結構的成形結果進行了深入分析。通過對比不同晶格結構的特征，發現Voronoi、Tesseract、Star、Cross、Box 以及Octet 等陣列晶格由于存在較長的橫向桿結構，在成形過程中容易出現不同程度的缺陷。這些缺陷中，較輕的表現為桿直徑的不均勻性，而較嚴重的則直接導致桿的斷裂。相對而言，X、Vintiles、Terak-Hedron、Diamond 以及Fluorite等陣列晶格的結構特點在于其主體與基板方向形成了45°～60°的夾角。特別是Terak-Hedron 陣列晶格，其橫向桿結構較小，因此這些晶格在成形過程中能夠保持較為完整的特征，成形質量較高。

結束語

綜上所述，為了在相同的SLM 成形參數下獲得更好的晶格特征，應優先選擇那些沒有或具有較小橫向桿結構的陣列晶格。這一發現對于優化鋁合金桁架晶格結構的SLM 成形工藝，以及推動其在高性能輕量化領域的應用具有重要的指導意義。