降维打印！强度提升37%-65%，3D打印点阵结构研究取得重要进展

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轻质点阵结构在承载、吸能、隔热、隔震等领域有广泛的应用前景，采用3D打印制造点阵结构具有高效、灵活的特点，同时也成为3D打印领域的一项重要应用。然而，目前一体化打印的点阵结构存在各向异性和支撑材料去除的问题，前者使3D打印点阵结构的力学性能远小于理论值，后者则增加了后处理的时间与成本。

太空制造大型点阵结构

近日，中国科学院力学研究所热结构耦合力学课题组首次将嵌锁组装方法引入3D打印技术中来制备点阵结构，即通过将三维点阵结构“降维”，转化为二维杆件结构打印，再采用嵌锁组装方法将二维杆件拼装成三维的点阵结构。研究人员分别采用FDM和PolyJet工艺进行了验证，取得了惊人的结果。相关研究分别发表于发表在Materials and Design和Additive Manufacturing上。

研究人员采用该方法，针对熔融沉积成型(FDM)这一3D打印技术，制备了BCC构型点阵结构，实现了杆件结构中纤维的最优分布，相比于一体化打印的点阵结构强度提升了37.6%-65.3%，压缩模量提升了11.4％–39.6％，能量吸收能力提升了67％–270％。

除了机械性能的改善，该方法还实现了较好的表面质量，点阵结构的表面粗糙度较低。研究人员还在一定范围内成功预测了嵌锁点阵结构和一体打印点阵结构的峰值强度和压缩模量。

两种FDM点阵结构制备方法对比(a)一体化3D打印；(b)打印+嵌锁组装，红圈内可见卡扣结构

进一步将该方法拓展到聚合物喷射成型（PolyJet）技术中，制备了BCC、BCC-Z、FCC、Octet四类典型的点阵结构，实现了不同构型的PolyJet点阵结构中杆件的最佳打印方向（X-Y平面）。

（a）嵌锁组装与一体化打印点阵结构中杆件打印方向比较，嵌锁组装实现了所有杆件打印方向的力学性能最优（绿色），一体化打印有部分杆件的力学性能较差（黄色和红色）

（b）嵌锁组装制备的PolyJet点阵结构多胞与单胞试样

PolyJet制备的四类典型3D点阵结构

采用Polyjet技术打印的点阵结构，同样实现了力学性能的提升，与一体化打印的结构相比，压缩强度提升均在100%以上，能量吸收能力提升了72%~186%。由于打印过程无需支撑材料的辅助，打印时间和打印耗材均降低了80%以上。

嵌锁组装制备的PolyJet点阵结构提升了力学性能、节约了制备成本。图为两种制备方法比较（a）压缩强度；（b）比吸能；（c）打印耗材；（d）打印时间

END

由于点阵结构的杆件均是沿着无支撑或最优的方向进行打印，组装后的点阵结构整体力学性能得到改善。研究人员建立了四类点阵构型面外压缩力学性能的理论模型，试验结果表明，嵌锁组装点阵结构的压缩强度与理论压缩强度接近。

当然，并不是所有的点阵产品都适合这种嵌锁组装方式制备，该研究实际上为高效制备力学性能优异的大尺寸3D打印点阵结构提供了可能。

注：研究原文已上传QQ群。

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