先進(jìn)制造工藝的快速發(fā)展使超材料晶格結(jié)構(gòu)的制造成為可能。這些輕量化、高性能的結(jié)構(gòu)已迅速在幾個(gè)主要工業(yè)領(lǐng)域獲得應(yīng)用，其全面使用只是時(shí)間問題。加速這一應(yīng)用就必須對(duì)其相關(guān)參數(shù)有一個(gè)清晰的了解，并開發(fā)先進(jìn)的方法來評(píng)估其機(jī)械性能及其在不同載荷條件下的失效機(jī)制。

事實(shí)上，晶格結(jié)構(gòu)的性能深受工藝缺陷的影響。很多人只看到它具有輕量化、剛度和強(qiáng)度等綜合性能，但對(duì)疲勞性能卻關(guān)注甚少。疲勞始終是絕大多數(shù)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料的主要退化機(jī)制，尤其是在高溫（蠕變疲勞）或不利環(huán)境（腐蝕疲勞）下。與剛度和強(qiáng)度的整體特性不同，過早疲勞失效是由局部因素驅(qū)動(dòng)的，如缺陷、微觀結(jié)構(gòu)、表面粗糙度等。

航空航天、汽車、醫(yī)療領(lǐng)域3D打印點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

3D打印零件的表面粗糙度包括大量的局部缺陷（也稱為微缺口），這些缺陷是疲勞裂紋萌生的潛在位置。3D打印技術(shù)參考曾詳述金屬材料的缺陷種類及其對(duì)疲勞性能的影響，在此我們不再展開討論（請(qǐng)查看延伸閱讀）。幾何缺陷也會(huì)對(duì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為產(chǎn)生影響，為了在疲勞預(yù)測(cè)過程中采用更準(zhǔn)確的實(shí)際晶格結(jié)構(gòu)，可以使用CT掃描技術(shù)，在此方面北理工方岱寧院士團(tuán)隊(duì)有詳細(xì)研究。

北理工方岱寧院士團(tuán)隊(duì)3D打印的晶格結(jié)構(gòu)和拉伸試樣

很多有關(guān)晶格材料的文獻(xiàn)表明，大多數(shù)疲勞設(shè)計(jì)方法都依賴于實(shí)驗(yàn)，而這些實(shí)驗(yàn)是為處理選定的晶格結(jié)構(gòu)和材料而定制的，既費(fèi)時(shí)又昂貴。另一方面，現(xiàn)有的理論方法似乎缺乏準(zhǔn)確性，主要是因?yàn)樗鼈兊暮?jiǎn)化方法可能無法捕捉晶格結(jié)構(gòu)中的真實(shí)應(yīng)力分布。在沒有殘余應(yīng)力的情況下，可能影響晶格結(jié)構(gòu)疲勞行為的變化源除了上面提到的幾點(diǎn)外，還可能包括晶格結(jié)構(gòu)中的支柱連接，這也是本綜述關(guān)注的重點(diǎn)。

設(shè)計(jì)和制造具有具有足夠抗疲勞的材料并能夠可靠預(yù)測(cè)其安全壽命是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

該綜述文章總結(jié)了大量基于晶格結(jié)構(gòu)的文獻(xiàn)，以確定這些結(jié)構(gòu)的潛在和主要局限性，特別強(qiáng)調(diào)它們?cè)诔惺苎h(huán)疲勞載荷時(shí)的情況。研究人員的目的是“填補(bǔ)空白”，全面了解晶格結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵特征——疲勞如何嚴(yán)重降低其整體結(jié)構(gòu)完整性，并就如何解決這一問題提供完整和最新的技術(shù)。

有限元分析已經(jīng)在使用晶格結(jié)構(gòu)的實(shí)際幾何形狀，以比較真實(shí)幾何體和標(biāo)稱CAD幾何體中的應(yīng)力狀態(tài)，從而定性地將數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)疲勞數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。通過對(duì)試樣進(jìn)行顯微CT掃描獲得了打印完成的實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)，以此對(duì)支柱連接處的應(yīng)力分布進(jìn)行的有限元分析表明，模型中的應(yīng)力集中程度較高；然而，模擬值仍然低于實(shí)驗(yàn)中預(yù)期的應(yīng)力集中程度。據(jù)報(bào)道，這是由于為了將有限元模型網(wǎng)格化而執(zhí)行的平滑程序使表面切口的嚴(yán)重程度降低了，盡管結(jié)構(gòu)中存在殘余應(yīng)力，在消除應(yīng)力后也會(huì)顯著影響數(shù)值分析的精度。

具有相同相對(duì)密度、彎曲和拉伸為主的多孔材料的典型壓縮過程：1）線彈性狀態(tài) 2）屈服后 3）致密化

在單軸疲勞荷載作用下，局部應(yīng)力的存在將導(dǎo)致晶格中的應(yīng)力呈現(xiàn)多軸、非對(duì)稱和不均勻狀態(tài)。因此，對(duì)于這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用能夠解決平均應(yīng)力和應(yīng)力梯度下應(yīng)力多軸性的疲勞準(zhǔn)則。Boniotti等人報(bào)告了針對(duì)這些特定點(diǎn)的疲勞預(yù)測(cè)策略的主要結(jié)果，在對(duì)晶格的微觀CT結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行應(yīng)力分析后，采用臨界距離理論進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)。為了解決多軸問題，根據(jù)Sines提出的等效vonmises應(yīng)力計(jì)算了應(yīng)力幅值。在這種情況下，對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)，在其周圍的球形控制體積中確定平均等效應(yīng)力振幅?？刂企w積的半徑設(shè)置為El Haddad的尺寸參數(shù)，該參數(shù)是從相同材料的疲勞評(píng)估中獲得的。當(dāng)局部等效應(yīng)力幅值大于材料的疲勞強(qiáng)度時(shí)，疲勞裂紋萌生將在有限元模型中發(fā)生。使用這種方法，能夠成功預(yù)測(cè)疲勞壽命和失效位置。

END

晶格結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)或定制，以實(shí)現(xiàn)特定的結(jié)構(gòu)功能和性能要求。它們具有比表面積大、質(zhì)量低、重復(fù)結(jié)構(gòu)規(guī)則、孔隙連通性好等優(yōu)點(diǎn)，因而具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

3D打印可以對(duì)點(diǎn)陣材料的微結(jié)構(gòu)甚至多尺度結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面而精確的控制。然而，缺陷和不完善是不能完全消除的。由于晶格表面的均勻化和提高其結(jié)構(gòu)延性的可能性，對(duì)其進(jìn)行特殊的后熱處理可以顯著提高疲勞壽命。