设计和比较数值分析AlSi10MgPBF-LB/M制造TPMS晶格结构,以提高机械性能
Laura Luran Sun1, Nikola Milenkovski2, Kartikay Awasthi1
1Product Development and Machine Elements, Technical University of Darmstadt, 64287 Darmstadt, Germany.
Materials (Basel, Switzerland)
|November 13, 2025
概括
使用增材制造制造制造的三重周期性最小表面 (TPMS) 格子与传统的支架式设计相比,显示出优越的刚性和能量吸收. 这项研究通过数值验证了它们对要求高的工程应用的增强机械性能.
科学领域:
- 材料科学 材料科学 材料科学
- 机械工程 机械工程
- 增材制造 增材制造 增材制造
背景情况:
- 增材制造允许复杂的几何形状,非常适合航空航天和生物医学领域.
- 三重周期性最小表面 (TPMS) 格子提供独特的几何优势,但面临着表征和模拟的挑战.
研究的目的:
- 通过激光粉床聚变 (PBF-LB/M) 生产的AlSi10MgTPMS网格的机械性能和动态反应进行数值研究.
- 为了比较各种基于板的TPMS格子在高拉变率下与基于支架的设计的性能.
主要方法:
- 使用了带有周期性边界条件的微中尺度方法.
- 用约翰逊-库克可塑性模型对代表体积元素 (RVEs) 的有限元模拟分析了弹性特性 (模量,剪切模量,波桑比率).
- 软管损伤模型评估了在高张力率下能量吸收和损伤演变.
主要成果:
- 与基于支架的格子 (BCC,FCC) 相比,TPMS格子表现出更好的刚性和能量吸收.
- 基于板的TPMS结构,特别是Schwarz-Diamond和IWP,表现出比其他TPMS和基于支架的设计更高的性能.
- 性能是通过20-40%的体积分数来评估的.
结论:
- 在硬度和能量吸收方面,TPMS格子,特别是Schwarz-Diamond和IWP,在传统的支架式设计上提供了显著的优势.
- 数字框架为TPMS结构的高应变率行为提供了有价值的见解.
- 研究结果支持使用TPMS网格在需要轻量化,高性能材料的苛刻工程应用中.
