金屬結構的案例
新金屬3D打印技術允許激光設備逐滴打印金屬結構
近日從外媒獲悉，特溫特大學的荷蘭研究人員開發了一種新的金屬3D打印技術，該技術允許激光設備逐滴打印金屬結構，包括純金，打印精度可以達到幾微米尺度。
通常，金屬結構可以通過光刻方法，鑄造，選擇性激光燒結或熔化來制造。然而，這些新方法還不適用于特征尺寸小于約10μm的金屬的3D打印，這對于電子設備而言將是非常有意思的。
新金屬3D打印技術允許激光設備逐滴打印金屬結構研究人員的新技術被稱為激光誘導正向傳輸（又稱“LIFT”），它使用超短激光脈沖來熔化納米厚度薄膜中的微小金屬。這形成了熔融金屬的微滴，其可以噴射到目標位置后并固化。由于這種技術，UT研究人員能夠逐滴構建一個帶有銅和金微滴的螺旋微結構。這兩種金屬具有相似的熔點，在這種情況下，銅作為支撐，金可以在其上形成。
新金屬3D打印技術允許激光設備逐滴打印金屬結構激光打印技術：通過依次打印銅和金，將銅蝕刻掉，產生純金的獨立螺旋金屬液滴的體積只有幾個飛升（一萬億分之一）。制造液滴的方式是使用超短脈沖的綠色激光照射金屬。這種精確的液滴產生使得結構能夠精心構造，高度僅為幾十微米，并且具有小于10μm的細節，具有最小的表面粗糙度（約0．3至0．7微米）。對于研究人員來說，一個關鍵的問題是兩種金屬是否會在它們的界面混合：這會對蝕刻后產品的質量產生影響。研究人員在增材制造中寫道，這些金屬之間沒有混合的跡象。
新金屬3D打印技術允許激光設備逐滴打印金屬結構一旦結構完成，研究人員就在氯化鐵中使用化學蝕刻來完全去除銅支架。通過這樣做，他們留下了純金的獨立螺旋復合材料。
螺旋的頂視圖（c）表明它是三維的，具有中心空隙。
展開 基于Lumerical fdtd的超透鏡設計(介質天線結構和金屬諧振結構)
圖4 金屬諧振結構在寬波長范圍下的反射率曲線和反射相位曲線
同樣，也可以對金屬諧振結構表面的電場和磁場進行模擬和輸出，如圖5所示。這一步驟與超材料吸波體、電磁誘導透明和超材料濾波器等器件的模擬基本一致。與介質天線結構類似，后續也需要對不同參數下的金屬諧振結構進行掃描并將其相位進行輸出，以便后續超透鏡的相關設計。
圖5 金屬諧振結構的表面電場圖和磁場實部圖
以上工作準備完成后，我們才可以根據超透鏡的功能需求對其陣列進行設計以及相關的建模和仿真工作.
lumerical一對一培訓介紹:
Lumerical培訓
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展開 MSER（IF=36.214）頂刊綜述論文：金屬晶格結構的增材制造
輕量化金屬晶格結構實際案例：(a)-(c) 不銹鋼米歇爾梁，(d) 不銹鋼汽車控制臂，(e) 鈦合金枕形支架，(f)-(h) 用金屬晶格結構填充的衛星支架。
然而，增材制造技術也不是萬能的，在制備金屬晶格結構方面仍然存在一些限制和挑戰。例如增材制造制備金屬的晶格結構具有較高的表面粗糙度，需要先減小表面粗糙度才能投入使用；粉床熔融技術通常需要在特定的氣氛腔中加工，所以加工的工件一般體積不大；而直接能量沉積和熔融沉積成型精度稍低，加工精細結構稍顯不足；金屬晶格結構往往需要經過表面處理后才具備更好的表面功能性，但由于金屬晶格結構復雜，目前尚未有針對性的表面處理技術。
近十年來，金屬晶格結構與增材制造技術的結合受到越來越多的關注。為了確保增材制造技術制備的金屬晶格結構在各個行業的可靠性，對其建模、優化、材料、工藝參數、結構以及性能之間的關系仍需要進一步的理解。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
展開 Altair-OptiStruct拓撲優化功能在兒童座椅金屬結構設計中的應用案例分析
摘要
本課題利用Altair-OptiStruct拓撲優化分析軟件對兒童座椅內部金屬結構件進行輕量化設計研究，優化后結構布局更合理且質量減輕30%，旨在探索了一種結構優化合理設計和省材減重的方法。
一、研究背景
兒童座椅在進行碰撞測試的法規試驗中，主要通過座椅內部的金屬結構件來承擔的沖擊力，從而保證整椅結構的完好性，達到保護乘員兒童的效果。在座椅的研發階段，結構工程師為了順利通過碰撞測試，往往對金屬件進行過剩設計，一方面，可能造成材料浪費、座椅過重；另一方面，可能由于結構過強、吸能效果差，導致兒童假人在沖擊過程中各項傷害值超標。為了解決這一問題，嘗試對某款產品的金屬結構件進行輕量化分析，希望能為結構工程師提供設計方向。
二、分析思路
通過分析該金屬結構件在座椅中的裝配關系以及法規要求下不同動態工況的受力狀態，碰撞主要考察座椅在不同安裝方向下的正碰、后碰和側碰工況。合理地設置約束與加載進行拓撲優化分析，再將優化后結構代入動態工況中進行校核驗證，強度滿足且假人傷害值達標即可。
三、方法步驟
本案例選取座椅底座上的金屬壓板件作為研究對象。首先厘清結構件與座椅其他件的連接、接觸關系以及碰撞過程中的受力狀態，再合理設置優化分析的邊界條件，具體步驟：1.兩側與isofix外殼焊接，將其下邊緣自由度完全約束；2.孔與底座螺柱連接，對washer單元僅釋放Z方向自由度，并對每個孔向下施加載荷500N模擬孔的拉力；3.翻邊面與其他金屬結構表面接觸，在此表面均勻施加200N的載荷。
展開 
：增材制造新工藝打印金屬納米結構
【引言】
增材制造是一種能將各種材料逐層制造成三維結構的工藝，其中金屬增材制造工藝徹底改變了航空航天、汽車和醫療應用中復雜零件的生產。然而目前增材制造工藝分辨率僅為20-50μm，嚴重限制了納米級復雜3D結構金屬器件的生產。而納米級金屬具有特殊的性能，因此需開發一種制造具有宏觀總體尺寸和微觀亞微米3D金屬結構的工藝。目前等離子沉積和電子束自由成形制造之類的基于線和細絲的工藝可以生產毫米尺寸的器件，選擇性激光熔化（SLM）和激光工程網狀成形等基于粉末的工藝可將最小特征尺寸限制在20μm左右，局部電鍍或金屬離子還原方法可非常緩慢的制造分辨率小于500nm的結構，電化學制造（EFAB）允許制造分辨率為10μm的結構，但限于層厚4μm，總高度為25-50層的結構。
【成果簡介】
近日，美國加州理工學院Julia R. Greer（通訊作者）在Nat.Commun.上發表了一篇題為“Additive manufacturing of 3D nano-architected metals”的文章。該團隊通過合成含有鎳聚合物的雜化有機 - 無機材料，并用其制造光刻膠，利用雙光子光刻技術（TPL）以及熱解制造了分辨率為25-100納米的復雜三維金屬幾何圖形。該過程容易且可重復，為創建具有納米尺度分辨率的復雜三維金屬結構提供了有效的途徑。
【圖文解讀】
圖一 納米金屬增材制造工藝和樣品的SEM表征
(a) 配體交換反應用于合成金屬前驅體；
(b) 混合金屬前驅體，丙烯酸樹脂和光引發劑以形成富含金屬的光刻膠；
(c) TPL工藝示意圖；
(d) 金屬聚合物制備；
(e) 熱解去除有機物并將聚合物轉變為金屬；
(f-j) 代表性的SEM圖像。
展開 MQ60港口門座起重機金屬結構有限元計算分析報告
MQ60港口門座起重機金屬結構有限元計算分析報告1.rar
MQ60港口門座起重機金屬結構有限元計算分析報告2.rar
微米尺度的黃金3D打印，逐滴打印金屬結構
2018年10月31日，特溫特大學的荷蘭研究人員開發了一種新的金屬3D打印技術，該技術允許激光設備逐滴打印金屬結構，包括純金，打印精度可以達到幾微米尺度。
通常，金屬結構可以通過光刻方法，鑄造，選擇性激光燒結或熔化來制造。然而，這些新方法還不適用于特征尺寸小于約10μm的金屬的3D打印，這對于電子設備而言將是非常有意思的。
研究人員的新技術被稱為激光誘導正向傳輸（又稱“LIFT”），它使用超短激光脈沖來熔化納米厚度薄膜中的微小金屬。這形成了熔融金屬的微滴，其可以噴射到目標位置后并固化。由于這種技術，UT研究人員能夠逐滴構建一個帶有銅和金微滴的螺旋微結構。這兩種金屬具有相似的熔點，在這種情況下，銅作為支撐，金可以在其上形成。
激光打印技術：通過依次打印銅和金，將銅蝕刻掉，產生純金的獨立螺旋
金屬液滴的體積只有幾個飛升（一萬億分之一）。制造液滴的方式是使用超短脈沖的綠色激光照射金屬。這種精確的液滴產生使得結構能夠精心構造，高度僅為幾十微米，并且具有小于10μm的細節，具有最小的表面粗糙度（約0.3至0.7微米）。對于研究人員來說，一個關鍵的問題是兩種金屬是否會在它們的界面混合：這會對蝕刻后產品的質量產生影響。研究人員在增材制造中寫道，這些金屬之間沒有混合的跡象。
一旦結構完成，研究人員就在氯化鐵中使用化學蝕刻來完全去除銅支架。通過這樣做，他們留下了純金的獨立螺旋復合材料。
螺旋的頂視圖（c）表明它是三維的，具有中心空隙。在（b）中，它仍然在銅盒中
創建完全獨立和懸垂的結構的能力對于打印復雜的3D設備至關重要。
展開 ：層狀結構在Ti-Al金屬層狀復合材料塑性改善中的作用
此外，在層狀結構下，應變轉移行為能緩解Ti層的應變局域化，從而提高Ti的塑性。界面處的內應力累積和Ti層應變局域化都能促進裂紋過早在界面處形核，但這些裂紋的擴展受到了層狀結構的限制，這是LMC展現出高塑性的原因之一。文章不僅形象有力地揭示了層狀結構對LMC塑性改善的作用，而且為研究設計高性能LMC材料指明了新方向。
【文獻信息】
文獻鏈接：Role of layered structure in ductility improvement of layered Ti-Al metal composite (Acta Mater.,2018,10.1016/j.actamat.2018.05.005)
【團隊介紹】
哈爾濱工業大學耿林教授團隊主要從事金屬及其復合材料的設計、制備和先進表征等研究工作，團隊成員范國華副教授近年來從局域應變演化角度認識金屬結構材料的變形與力學行為，在電鏡、原子力顯微鏡、同步輻射光源等發展了多尺度局域應變表征裝置和方法，選擇層狀結構模型材料深入分析了局域應變調控對力學特性的影響，并進一步在層狀TiAl金屬間化合物和鎂合金中示范驗證了局域應變/應力控制的重要性，完成了“理論→裝置與方法→典型材料驗證”的系統研究。具體上，與丹麥技術大學、大連理工大學、德國赫姆霍茲研究中心、上海同步輻射光源、北京同步輻射光源、臺灣同步輻射光源、以及美國APS、ALS光源等長期深入合作，利用原位DIC，中子衍射，同步輻射μ-CT，白光勞厄衍射，高能x射線微束衍射等手段研究金屬結構材料形變領域相關的前沿科學問題。
展開 .: 空間不均勻性作為結構特性表征金屬玻璃的結構-性能相關性
然而對于無序的金屬玻璃，還缺乏可以準確定義材料力學性能的結構參量。
【成果簡介】
為描述結構無周期性的金屬玻璃的力學行為，自由體積（free volume）、流變單元、以及剪切轉變區域（STZs）等概念已被引入金屬玻璃彈性-塑性轉變的研究中，來描述結構不穩定性。盡管流變單元和STZ理論是基于金屬玻璃結構不均勻性是剪切局域化及剪切軟化起源的假設，有關金屬玻璃結構不均勻性和宏觀力學性能之間的關系仍未明確建立起來。受實驗技術的限制，還未能描述金屬玻璃空間不均勻性，并確定其和宏觀力學性能之間本征關聯的定量關系。
近日，上海交通大學尖端物質結構研究中心團隊在Nature Communications上發表了題為“Spatial heterogeneity as the structure feature for structure–property relationship of metallic glasses”的文章。該工作報道了納米尺度空間不均勻性是金屬玻璃固有的結構特征，和強度及形變行為有著本征關聯。金屬玻璃的強度和楊氏模量可以通過空間不均勻性特征長度倒數的平方根來定義。此外，時間相關的應變弛豫的拉伸指數也可以通過特征長度來定量描述。該研究有力證明了空間不均勻性可作為描繪金屬玻璃力學性能的結構參量。
【圖文導讀】
圖1：不同熱力學狀態下金屬玻璃的空間不均勻性。
展開 金屬凝固過程組織結構演變的完美呈現 | 同步輻射在金屬材料表征方面的應用
在金屬材料領域，有一個關系一直被人們研究和利用，那就是成分-組織-性能關系。認識清楚了該關系，人們就知道了該如何制備更好的材料。為此，人們不斷探索新的表征方法，幫助認識材料的微觀組織，揭示這一重要關系。
近百年來，科研人員聚焦金屬材料組織結構的表征，發展起來了光學顯微鏡、激光共聚焦、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等。通過材料截面的拋光與腐蝕，呈現金屬的微觀組織結構并采用顯微鏡觀察和記錄。
即使在科技比較發達的今天，人們在分析金屬材料的微觀組織結構時大多還是大多使用二維圖像。然而，隨著人們對問題的認識不斷深入，越來越希望了解材料微觀組織結構的三維特征，甚至時間特征。于是多種層析技術應運而生，如三維EBSD，APT等。盡管如此，人們也只能在三維空間里在一定程度上認識和表征微觀組織的特征。
一些特別的科學問題，如凝固過程中微觀組織是如何演變的？這涉及到更多維度空間，除了三維空間以外，還增加了時間和溫度場等。由于問題的復雜性，直到今天，人們也沒有完全認識和徹底呈現凝固過程中的微觀組織演化。
科研人員在為此不斷努力，金屬的凝固通常發生在高溫，一般的表征手段是無法觀察金屬凝固過程的，同步輻射成為其中最有競爭力的手段。
何為同步輻射
在過去的幾年里，材料研究的前沿領域取得了迅速的進展，主要（但不完全）是第三代同步輻射源（E SRF、APS和SPring-8）。一種強大的新興工具，這能真正洞察人們感興趣的材料和過程，并擴大我們對材料前沿的基本理解。
中國第一臺第三代同步輻射裝置上海光源總投資超過14億元
同步輻射是相對論和超相對論電子在磁場中旋轉產生的輻射，是高能天體物理學中的主要過程。它最初是在早期的電子感應加速器實驗中觀察到的，在實驗中電子首先被加速到超相對論能量，加速器發出強大X射線輻射。
展開 ABAQUS泡沫金屬泡沫鋁泡沫鎳多孔結構
泡沫金屬，又稱為多孔金屬，常見的類型有泡沫鋁、泡沫鎳、泡沫鈦等，是一種具有三維連通孔隙結構的新型工程材料。它結合了金屬和泡沫材料的優點，擁有獨特的物理、力學性能，廣泛應用于多個領域。本案例介紹在ABAQUS內建立具備連通孔隙結構的三維泡沫金屬結構模型。
泡沫金屬通過CAD球體密堆積3D插件V2.0版本建立，其中的球體最小間距參數應設置為負數，以確保生成的模型中的孔隙具備連通性。
為達到泡沫金屬孔隙穿過邊界的效果，需要截取模型的內部區域。刪除所有紅色球體，在模型內部新建一個長方體部件，并用交集建立新模型。
將模型導出為sat文件，即可導入ABAQUS內建立連通孔隙的泡沫金屬部件。
可對金屬泡沫模型劃分網格及進行后續模擬。
展開 
Acta Mater：梯度納米結構高強高韌金屬動態變形機理
追求金屬結構材料的高強度、高塑性/韌性是一個永恒的主題。但通過單一的結構細化在提高金屬強度的同時，往往伴隨塑性/韌性的降低。如何突破金屬強度和塑性的對立是力學和材料交叉學科面臨的挑戰。均勻結構由于其結構均勻，動態變形和剪切帶演化機理相對成熟，但缺乏加工硬化能力，在動態條件下缺乏均勻塑性。近年來研究表明，多級結構是高強度金屬突破其塑性瓶頸的一個重要途徑。
多級結構在準靜態條件下具有優于均勻結構的力學性能，那么其在動態條件下是否同樣具有優越的力學性能？各級結構及其協調變形如何影響動態力學性能？多級結構動態變形行為的微結構機理是什么？近期，中國科學院力學研究所、北卡州立大學、約翰霍普金斯大學的科研人員合作，在以上科學問題的研究中取得進展。相關研究成果發表在Materials Research Letters和Acta Materialia上。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645418301174
https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21663831.2017.1334715
針對梯度結構，科研人員設計了一套新的動態剪切試驗手段，首次揭示了梯度納米結構的動態剪切變形機理：由于各層之間在動態變形過程中發生應變分配，產生了額外的加工硬化，能夠延遲剪切帶在納米晶表層的萌生，以及限制剪切帶從表面到芯部的擴展（其傳播速度相比均質結構低一個數量級），梯度納米結構金屬能夠獲得比均質結構優越的動態剪切性能，同時發現廣為人知的剪切帶萌生的最大應力準則在梯度結構中不再適用。
展開 非金屬結構對行人頭部保護仿真精度的影響分析
當前金屬材料仿真已相對準確，而非金屬結構由于自身材料特性及仿真分析方法的原因，仿真精度仍有待進一步提升。因此，基于非金屬結構對行人頭部保護仿真精度的影響分析具有重要的現實意義。
▲頭部保護目標測試點*及頭型撞擊試驗示意圖
*引用自2018版C-NCAP規程
1.內外板涂膠對仿真精度的影響
發動機蓋涂膠為灰黑色軟質黏性膠，涂裝完成后還需經過電泳、烘烤等使其固化，形成具有蓬松氣孔的類海綿質膠體，該膠體將發動機蓋內外板牢牢的膠結在一起，在仿真分析中通常采用體單元進行模擬。
▲發動機蓋成品涂膠
然而，由于涂膠的軟質特性，使其在生產制造過程中不同批次的工程樣件可能具有一定的形狀差異性，如下圖所示，這將可能對最終測試結果產生影響。
展開 5，comsol超表面-石墨烯增強金屬納米結構的近紅外光吸收 ￥3389
本文復現了論文《基于磁激元效應的石墨烯-金屬納米結構近紅外吸收研究》-陳浩 該篇論文中所有結果。
基于磁激元效應的石墨烯-金屬納米結構近紅外吸收研究.pdf
首先，模型如下
在半無窮大Ag襯底上有一層sio2，sio2上面有周期性的Ag納米顆粒，一束平面光從上往下垂直照射，作者發現在Ag納米顆粒上面鋪一層石墨烯，能大大提高對近紅外光波段的光的吸收。
首先 撇開石墨烯不談，這個模型是仿真超材料吸收方面的基礎中的基礎 ，即設計一個周期性的結構，然后計算該結構的吸收光譜。
本文的難點在于石墨烯的仿真。文中給出了通過計算石墨烯電導率，然后得到石墨烯的相對介電常數。具體如下圖
文中將石墨烯當做面材料處理，作者說由于石墨烯太薄，若當做體材料處理會大大增加計算量。
其實把石墨烯畫成體材料，然后手動用掃略去剖網格的話，并不會增加太多計算量。在下面的付費內容中額外給出了把石墨烯畫成體材料的模型。把石墨烯處理成體材料或者面材料在本文模型中計算結果一致，如下圖。
以下是論文VS我復現的對比
1，首先對比有無石墨烯時候的吸收光譜
2，在吸收峰值處的磁場分布與損耗功率密度
3，改變多種參數，反復計算
4，石墨烯相對介電常數的虛部
下面是付費內容，如下圖
展開 《Nature》：一種直接3D打印金屬納米結構的技術！
降尺度的3D打印技術，將使利用微結構和納米結構特性的應用成為可能。然而，現有的金屬3D納米打印技術，需要聚合物-金屬混合物、金屬鹽或流變性油墨，從而限制了材料的選擇和最終結構的純度。盡管此前氣溶膠光刻技術已被用于在預先圖案化的襯底上，組裝高純度3D金屬納米結構陣列，但其幾何形狀有限。
在此，來自韓國浦項科技大學的Junsuk Rho和韓國國立首爾大學的Mansoo Choi等研究者，介紹了一種可使用各種材料直接3D打印金屬納米結構陣列的技術，這種金屬納米結構具有靈活的幾何形狀和可達數百納米的特征尺寸。相關論文以題為“Three-dimensional nanoprinting via charged aerosol jets”發表在Nature上。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03353-1
首先，研究者解釋了帶電的氣溶膠噴射是如何集中的？由火花放電產生的帶電氣溶膠和離子，同時注入靜電室，在靜電室中帶有孔陣列的介質掩模與偏置硅襯底分離(圖1a)。掩模與基板的分離是至關重要的，因為它可以使基板自由移動而不接觸正在生長的納米結構，也因為它允許掩模上的孔與正在生長的結構尖端之間的相對距離改變，因而能夠控制匯聚電場線的形狀，最終打印出所需的3D納米結構。
固定掩模下的襯底的運動，由一個3D納米級控制。通過對襯底施加一個負電位，正的氣溶膠和離子被吸引到掩膜上。高流動性的陽離子，首先到達面罩表面，然后是帶電的氣溶膠。離子積累可以防止納米顆粒沉積在掩膜上，并在每個孔周圍形成一個靜電透鏡。這種透鏡聚焦帶正電的氣溶膠，而不會造成在使用模板光刻時發生的堵塞(圖1插圖)。
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