航空航天晶格结构增材制造：基本分类与特性

晶格结构，作为无间隙的填充空间单元，通过重复形状的图案发展而来，因其在工程应用中展现出的减重潜力及高强度重量比而备受瞩目。在晶格结构这一概念引入之前，还有蜂窝及开孔和闭孔泡沫材料，均被称之为蜂窝结构。然而，晶格结构与泡沫和蜂窝结构在单元细胞的类型、形状、尺寸及性质上存在显著差异。

在泡沫结构中，单元形状随机，其单元壁在空间中的方向亦无固定规律。有研究对金属泡沫给出了更明确的定义，指出其孔隙率在40%至98%之间。金属泡沫作为一种广泛存在的蜂窝结构类型，其实例广泛存在于诸如软木、松质骨和木材等材料中。

(a) 泡沫结构(b) 蜂窝结构 (c) 负泊松比结构(d) 晶格结构 (e) 周期性晶格结构(f) 按单元尺寸渐变(g) 按晶格厚度渐变(h) 共形晶格(i) 随机晶格结构(j) 混合晶格

相反，蜂窝结构以其挤压成型的单元为特征，这些单元形状统一且大小相同。基于二维平面上重复的单元形状可以被分类为四面体、三棱柱、四棱柱、六棱柱等。目前，负泊松比结构的蜂窝结构子类引起了广泛关注。与传统蜂窝结构相比，这些结构在拉伸方向上会横向扩展，从而增加了其剪切模量、断裂刚度和抗凹痕能力。

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另一方面，晶格结构是通过在空间中排列具有边和面的单元细胞而形成的建筑配置。基于三维设计空间中单元细胞的排列方式，晶格结构可进一步细分为周期性结构和伪周期性晶格结构。

在周期性结构中，单元以不改变其特性的方式排列。而在伪周期性晶格结构中，单元的特性（如类型、大小和厚度）会发生变化。这种单元的大小和厚度的变化分别被称为按大小梯度和按厚度梯度。按大小梯度涉及一种复制模式，其中单元的大小沿指定方向逐渐变化，而元素的厚度保持不变。相反，在按厚度梯度中，单元大小保持不变，但元素的厚度会发生变化。此外，梯度还可以通过改变细胞大小、类型和厚度来获得。

共形晶格结构

共形晶格结构的特点是其细胞在长度和形状上发生非均匀变化，使得复制模式能够跟随部件的边界。此外，随机模式，也称为随机晶格结构，其特征在于细胞或支柱以周期性模式排列，但在大小、形状和方向上存在随机变化。这种结构不应与随机泡沫相混淆，随机泡沫由分布在固体基质中的不规则形状的单元或空隙组成。另一类晶格结构是混合晶格结构，其中不同类型的单元被排列以获得特定的性能。

此外，有文献还概述了增材制造中常用的不同类型单元拓扑结构，包括基于支柱和基于表面的晶格结构。在基于支柱的结构中，如广泛讨论的参考文献所述，位于单元细胞顶点或边缘（有时也位于细胞内部）的节点通过薄而直的元件连接，这些元件通常被称为支柱或横梁。这些单元细胞具有实心和空心桁架变体，具有多种细胞形状，包括简单立方、体心立方（BCC）、面心立方（FCC）和八角形桁架等。关于基于表面的单元，可以区分基于平板的晶格和三重周期最小表面（TPMS）细胞。基于平板的晶格由二维平面层组成，这些层组合起来形成三维对象。在3D打印中常用的平面结构包括可能具有六边形或三角形单元细胞的晶格。与基于横梁的晶格相比，它们通常更坚硬，但重量更大且难以打印。

基于支柱和表面的单元

另一方面，三重周期最小表面（TPMS）单元因其边界表面在每一点上都具有零平均曲率而受到广泛关注，这种设计灵感来源于生物结构。由于其几何特性能够实现与表面相关的各种性能，如可制造性、流体渗透性、电导率和热导率，因此它们作为功能梯度结构具有重要意义。TPMS是数学上定义的非自相交表面，它们形成周期性的三维图案，并局部最小化表面积。这些表面将体积划分为单个连通组件，并可以使用基于谐波函数的水平集技术来创建。

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TPMS结构主要分为片材TPMS和骨架TPMS。在片材TPMS中，表面被加厚以形成固体结构；而在骨架TPMS中，TPMS分隔的体积被填充以创建固体结构。这些结构没有节点和曲率不连续，从而减少了应力集中并增强了强度。

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