设计材料（Designed Materials)与3D打印的结合点与发展

| 3DScienceValley · 2022/04/18

根据3D科学谷的了解，在3D打印应用领域，点阵结构被应用于多种场合，包括提高热交换器和散热器的热交换效率，提高阻尼材料的抗震缓冲能力，优化骨科植入物的生物学和力学性能，降低航空航天零件的重量等等。小点阵，大作用，点阵成为学习3D打印的MUST。市场上将开孔金属材料的设计称为设计材料-Designed Materials。

根据西门子，激光粉末床熔化金属3D打印(PBF‑LB)技术为制造开孔镍基超级合金提供了新方式，这种技术制成的开孔金属（也称为设计材料-Designed Materials）为高温应用提供了有吸引力的性能。本期谷.专栏将结合西门子的《Designed Materials for high-temperature applications》讨论设计材料与其他开孔金属相比的一些优势以及可能的用例。

金属点阵晶格结构制造技术

DM-设计材料与3D打印

根据3D科学谷，在3D打印应用领域，点阵结构被应用于多种场合，包括提高热交换器和散热器的热交换效率，提高阻尼材料的抗震缓冲能力，优化骨科植入物的生物学和力学性能，降低航空航天零件的重量等等。小点阵，大作用，点阵成为学习3D打印的MUST。市场上将开孔金属材料称为设计材料-Designed Materials。

根据西门子，激光粉末床熔化金属3D打印(PBF‑LB)技术为制造开孔镍基超级合金提供了新方式，这种技术制成的开孔金属（也称为设计材料-Designed Materials）为高温应用提供了有吸引力的性能。本文将结合西门子的《Designed Materials for high-temperature applications》讨论设计材料与其他开孔金属相比的一些优势以及可能的用例。

设计材料的优势: 设计材料最显着的方面是它们易于调整的形态。这可以通过改变应用的工艺参数来实现。这也提供了精确调整机械和功能特性的选项。

与其他3D打印开孔结构（如晶格结构）相比，设计材料的优势是它们在可制造形状方面的自由度。通过3D打印-增材制造来制造设计材料的优势是构建率要高得多，因此速度更快。

这意味设计材料属性的精确可调节性意味着它们可以被修改以表现出不同的物理行为：例如，可以调整流速和机械性能，从而为每种应用生成最佳设计材料。

金属点阵晶格结构创造显示了具有沿Z轴流动方向的组件

显示了蒸发冷却高温应用，其流动方向平行于构建层

显示了使用设计材料密封热气体并防止它们离开指定流动通道的组件设计，密封翅片切入设计材料，用作耐磨材料，连接到定子部件的多孔结构密封了旋转密封翅片的间隙。

这些用例主要存在于燃气轮机的涡轮和压缩机部分，但它们也可以应用于蒸汽轮机，用于转子和定子的轴向密封。因此，DM-设计材料可以被视为替代传统连接的蜂窝密封或喷涂层的方法。

DM-设计材料还可以用于阻尼应用，可以解决不同类型的振荡，例如机械或声学振动。根据3D科学谷的了解，设计材料可以用于运动器械制造中的3D打印应用，核心逻辑是获得一种产品性能提升的新方式，包括：舒适度的提升，防护性能的提升，以及通过调整产品不同区域3D打印点阵的设计，来实现多功能、多性能的集成，从而实现产品的创新。不仅如此，体育品牌推出的极具颠覆性的3D打印产品，还为品牌带来了增值。

例如2022年北京冬奥会中，大连理工大学研发的滑雪头盔运用了航天薄壁结构设计科技，技术则来源于程耿东院士指导、王博教授牵头的科研团队十几年的研究积累。此前，他们曾利用这项技术为我国体积最大的大火箭——长征五号运载火箭“胖五”成功减重1145公斤。

在这款头盔的设计研发中，科研团队运用了曲线加筋变刚度的设计技术，大幅提升了头盔的抗冲击变形能力，为运动员提供更高的安全防护级别。

显示了用于对高频振荡阻尼的组件

设计材料还有多种其他用途。开放孔隙率可以用作块体之间的粘合层。在热交换器和过滤器中的应用也是可能的。

根据3D科学谷，传统的热交换器包括大量的流体通道，每个流体通道都是使用板，条，箔，鳍，歧管等的某种组合形成的。这些部件中的每一个都必须单独定位，定向并连接到支撑结构，例如，通过钎焊，焊接或其他连接方法。这种热交换器的组装相关的制造时间和成本非常高，并且由于形成的接头数量，流体通道之间或从热交换器泄漏的可能性通常增加。而这种制造极限也限制了热交换流体通道及其中包括的热交换特征的数量、尺寸和构造。然而，3D打印为热交换器的制造另辟蹊径，减少了焊接需要，增加了热交换表面积，优化了压降。

3D打印热交换器

此外，设计材料的密度降低是轻量化设计的理想选择。

设计材料如何表征

根据3D科学谷，泡沫点阵结构的性能具有很高的设计灵活性。通过调整点阵的相对密度、单胞的构型、连杆的尺寸，达到结构的强度、刚度、韧性、耐久性、静力学性能、动力学性能的完美平衡。点阵结构比强度和比刚度高，在低密度结构中有较大的力学性能优势。与传统的固体材料相比，金属点阵材料的密度大大降低，具有相同性能的点阵结构可以减重达70%以上。与金属泡沫材料相比，金属点阵结构性能上可控制，强度和模量比金属泡沫材料高出一个量级，承载效率更高。

设计材料的表征方法与潜在的参数设置一样多样。根据3D科学谷，在产品质量认证范畴中，有两个容易混淆的概念-资格（QUALIFICATION）与认证（CERTIFICATION），而实际上两者是有区别的。资格是生产认证产品的基础，就增材制造而言，意味着整个增材制造工艺流程（包括系统/平台，工艺和材料）都需要经过一定程度的鉴定，才能生产出符合标准、设计规格和最终用途性能指标的认证零件。

形态学测试和机械测试

µCT扫描可以生成对设计材料形态的广泛概述。例如，µCT提供有关孔径、支柱直径和表面比的信息。其他属性也可以从体积数据中导出。然而，经验表明，手动测量相对密度也是有益的；这使得 µCT 数据校准更加稳健。

功能测试（比形态和机械性能更重要）

功能测试是获得设计材料的功能属性。根据应用类型，这些功能测试可以是渗透性和热传递等特性。

最大的挑战往往是在验证和测试阶段，包括如何确保所有的粉末都已从通道中清除，并且所有的壁都已在内部完美地创建。当前有许多无损测试技术，例如用于检查粉末的共振测试或用于检查结构完整性的 CT 扫描。然而，CT 扫描可能是一个昂贵的过程。此外，如果采用 Inconel 等致密材料生产换热器，甚至不可能深入表面几厘米以检查部件的完整性。

当然消除各种缺陷的挑战依赖人类的经验并非是最好的解决方式，在走向批量生产的质量认证道路上，加工中设备产生大量的数据，这些数据为人工智能提取深度的理解提供了天然的基础，围绕着几何和材料特性和加工参数，这些加工中的挑战将会被人工智能所解决。

对于应用了设计材料（Designed Materials)热交换器的3D打印，3D科学谷了解到物理测试通常包括以下内容：

- 压力和泄漏测试，其中零件要经受规定的标准压力；

- 量热测试，目的是确定性能特征，例如散热和压降；

- 通过耐久性测试、压力脉动、热循环、冲击和振动，研究耐久性并获得更多的统计置信度。

更自动化的设计材料

根据3D科学谷，随机多孔结构（称为泡沫）涉及具有随机形状和不同尺寸分布的孔，尽管它们的孔隙分布是随机的，但可以通过计算机建模和数学算法为 AM-增材制造工艺来设计随机结构。

根据3D科学谷的市场观察，目前点阵结构的设计走向智能化设计的方向，点阵结构填充轻量化设计所需要实现的零件复杂性已经超过了传统的CAD软件的原有功能。对设计进行修改的时候，例如仅在节点，横梁和连接体之间应用圆角或倒圆角所涉及的工作量在使用传统软件工具的时候往往变得“浩瀚无边”。这种低附加值的工作会延缓工程流程，抑制真正的创新，并扼杀企业保持竞争优势的能力。

ACAM亚琛增材制造中心，3D打印-增材制造可以在不同材料分布的帮助下根据负载和其他要求调整局部密度。此外，借助定制的数字材料，可以优化组件的重量、成本和生产时间。增材制造 (AM) 作为一项突破性的生产技术，由于其几何自由度和免模具生产，成为可以高效生产数字材料的工艺。

当通过点阵技术减轻零件重量时，从DfAM（增材思维）角度看，在点阵晶格和外蒙皮之间建立牢固的连接非常重要（以防止分层）。传统的3D建模过程首先需要选择所有交叉点，然后才能尝试在所有位置创建回合。软件工程师知道这会带来非常痛苦的工作量，更不用说当新的圆角值根本无法重建时，重建错误的加剧会带来沮丧的情绪。

随着设计软件的发展，一切都在发生改变…

点阵建模软件

例如，nTopology的nTop平台自动化蓬勃发展的建模系统，使得工程师可以快速评估新设计。通过利用先进的设计控制，可以自动执行圆角操作，在几秒钟内可靠地微调模型，并继续将注意力放在如何快速确定最佳产品设计，并且更快地设计创新零件。

例如，为了推动数字材料在工业应用中的非凡潜力，亚琛工业大学数字增材生产 DAP 学院专注于开发用于生成智能数字材料的创新及高效算法。开发的解决方案侧重点是在未来生成数字材料时可以自动集成生产和应用相关的条件，从而使得设计更轻松更智能化。

根据3D科学谷的了解，在材料的智能化数字化方面，亚琛工业大学数字增材生产 DAP 学院目前的主要开发重点在以下领域：

考虑制造限制（例如临界悬角或最小可实现特征尺寸）的点阵晶格结构生成算法
基于负载和边界条件的自适应网格结构生成
共形晶格结构生成
局部或全局晶格结构的细化算法
拓扑优化算法

此外，在不同的设计方法中，TPMS 为三重周期性最小表面（TPMS），对于结构应用而言，TPMS设计显示出高强度重量比，与增材制造技术结合使用，使得设计师能够创建兼具高强度和散热特性的多功能结构。

根据3D科学谷的市场研究，由于高的表面积体积比，基于TPMS的晶格需要大量三角形才能准确表示，这提供了一个很好的示例，说明了传统工艺流程无法正常工作的情况。但是，应注意，许多晶格结构都有隐式表示方案，通过隐式建模，可以实现复杂的几何图形高效建模，没有任何与STL相关的表示；通过直接切片，可以直接从隐式几何图形生成激光路径，而无需任何与STL网格相关的中间步骤。然后，可以显着减少存储器和时间消耗。

TPMS