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點陣結(jié)構(gòu)一般是指由金屬桿、板等微元件按一定的規(guī)則重復排列構(gòu)成的空間桁架，具有體密度小、比表面積大、比力學性能高等特點。將其作為芯材的夾芯結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊載荷作用下因結(jié)構(gòu)動態(tài)失穩(wěn)產(chǎn)生巨大的塑性變形并轉(zhuǎn)化為 ...
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點陣結(jié)構(gòu)一般是指由金屬桿、板等微元件按一定的規(guī)則重復排列構(gòu)成的空間桁架，具有體密度小、比表面積大、比力學性能高等特點。將其作為芯材的夾芯結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊載荷作用下因結(jié)構(gòu)動態(tài)失穩(wěn)產(chǎn)生巨大的塑性變形并轉(zhuǎn)化為熱能，可吸收掉大部分的沖擊能量，因而具有優(yōu)良的緩沖吸能和抗爆炸沖擊性能作用，其在坦克防護裝甲和艦船結(jié)構(gòu)水下抗爆方面均有應用。
電影中的點陣結(jié)構(gòu)的防沖擊場景 如今，點陣金屬夾芯結(jié)構(gòu)應用于輕質(zhì)裝甲以增加其抗爆性能的研究也開始增多。點陣金屬夾芯結(jié)構(gòu)抗爆炸沖擊問題是一個非均質(zhì)材料結(jié)構(gòu)在動載作用下響應的復雜動力學問題，關于點陣金屬材料的力學特性研究正處于基礎研究階段，主要集中在點陣金屬夾芯梁、板等結(jié)構(gòu)的抗爆炸沖擊和彈道沖擊方面。 材料的微觀結(jié)構(gòu)對其吸收沖擊的能力發(fā)揮著巨大作用。近日，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種特別好用的結(jié)構(gòu)，這種具有緊密空間的分形結(jié)構(gòu)比固體立方體的沖擊波消散能力強出五倍。這可能為頭盔、盔甲和其他防護用品的改造升級帶來了新動力。
3D打印的晶格結(jié)構(gòu)的ct圖像及三維重建 一些減輕沖擊的材料利用孔隙率和分層結(jié)構(gòu)來減小沖擊強度，但傳統(tǒng)的制造手段使這些材料往往缺乏結(jié)構(gòu)控制，并且很大程度上需要通過反復試驗開發(fā)。也有研究試圖通過吸收能量的沖擊驅(qū)動反應來減小沖擊波的大小，但仍然需要具有尺寸穩(wěn)定性和可定制機械性能的結(jié)構(gòu)材料。 3D打印在材料結(jié)構(gòu)控制方面的優(yōu)勢不必多說，來自LANL研究人員通過分形界面主導結(jié)構(gòu)中孔隙的三維排列演示了沖擊波的耗散。具有低至100 m自由表面間距的孔隙或自由表面的受控布置有望在適當?shù)臅r間尺度上產(chǎn)生建設性的稀疏波前相互作用，從而減少通過結(jié)構(gòu)的沖擊波幅度。
不同的分層結(jié)構(gòu)及防沖擊測試結(jié)果 采用光固化工藝打印的點陣結(jié)構(gòu)被以約每小時670英里的速度發(fā)射撞擊器，結(jié)果發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化的立方體比相同材料的固體立方體對沖擊的消散作用高出五倍。 然而目前尚不清楚分形結(jié)構(gòu)是否是最好的減震設計。研究人員正在測試其他基于空隙或界面的模式，以尋找理想的結(jié)構(gòu)來消散沖擊。3D打印的點陣結(jié)構(gòu)距離真正的裝甲防護可能還有些距離，但其在體育用品上已經(jīng)獲得了應用，尤其是3D打印的減震頭盔。 分割線 國外有研究人員分別測試了由惠普MJF工藝打印的PA11和激光燒結(jié)工藝打印的TPU材料的多種類型的點陣結(jié)構(gòu)對撞擊的緩沖作用。該項目獲得了歐盟H2020框架計劃的資助，其內(nèi)容包括研究幾種生成晶格結(jié)構(gòu)的技術(shù)，并對這些結(jié)構(gòu)進行測試，最終將其應用于在攀巖、騎行、滑冰等運動中的個人防護頭盔。
研究團隊設計和打印的幾種點陣結(jié)構(gòu) 動態(tài)沖擊測試是采用5kg的圓形金屬物體從1m的高度掉落到測試對象上，測試設備可以測量樣品吸收的總沖擊力。 不同結(jié)構(gòu)的3D打印點陣防撞擊測試 從測試的過程可以發(fā)現(xiàn)，不同結(jié)構(gòu)的點陣對沖擊的防護作用差別很大，研究人員需要從中選出最佳的結(jié)構(gòu)。截至目前，HP、Carbon等公司均推出了基于3D打印工藝的點陣結(jié)構(gòu)運動頭盔。
最佳點陣結(jié)構(gòu)
中國設計師開發(fā)的點陣結(jié)構(gòu)運動頭盔 不過，雖然點陣結(jié)構(gòu)極具魅力和吸引力，但目前仍然有一些障礙使其很難用在實際生產(chǎn)中，尤其對于金屬點陣結(jié)構(gòu)。一個關鍵的挑戰(zhàn)是要證明設計的性能可靠性，特別是在抗疲勞方面。由于點陣結(jié)構(gòu)的表面和尖銳的交叉點很多，這帶來了應力集中，在實際批量零件生產(chǎn)中如何解決這一問題存在一定的挑戰(zhàn)。 另一個相關的問題是如何驗證制造質(zhì)量。點陣結(jié)構(gòu)的復雜性使得難以通過傳統(tǒng)方式檢查，CT掃描確實提供了一種解決方案，但這種方法非常昂貴，開發(fā)簡單有效的質(zhì)量檢測手段也是影響其應用的一大限制。 注：本文內(nèi)容來自3D打印技術(shù)參考。 |
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2020-05-27
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