马前教授团队最新：3D打印轻质/高效/铝合金超材料！

转载于 2024-04-18 09:09:43 发布 · 398 阅读

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开发具有中空通道的3D打印超材料是墨尔本理工大学马前教授团队的重要研究方向，并在钛合金空心支柱晶格（HSL）超材料方面取得重要研究进展，其表现出比实心支柱晶格 (SSL) 高得多的结构效率，拓展了轻质多功能金属材料的边界。但研究人员指出，所开发的钛合金超材料并非一直都是最佳的选择，因为钛合金粉末仍然很昂贵。

铝合金在机械强度、较低密度和降低成本之间提供了折衷，同时还具有高耐腐蚀性，从而也能成为超材料开发的重要备选材料。3D打印技术参考注意到，该课题组于近日新报道了复杂AlSi10Mg空心支柱晶格超材料的3D打印制备及其力学性能研究。

然而，由于三个基本原因，铝合金的激光粉末床熔融 (LPBF) 比Ti-6Al-4V等常见金属合金更具挑战性。首先，铝合金被观察到从高熔池温度到室温事存在大体积收缩；其次，高反射率和导热率需要更高的激光能量；此外，铝合金还具有低液相线温度（557°C），导致产生动态熔池。这些因素意味着AlSi10Mg很可能存在几何缺陷和粉末堵塞中空通道。

马前教授团队新发表的论文“AlSi10Mg hollow-strut lattice metamaterials by laser powder bed fusion”，研究了AlSi10Mg空心支柱晶格（HSL）的 LPBF可制造性及其机械性能。确定了高保真LPBF制造的AlSi10Mg空心支柱通道直径、壁厚和扫描策略。

(a) FCC 和 (b) FCC拓扑空心支柱晶格模型。(c) FCC_1B、(f) FCCZ_1B、(d) FCC_2B、(g) FCCZ_2B、(e) FCC_3B 和 (h) FCCZ_3B。蓝色代表空心支柱墙，而浅红色代表内部轮廓

内部横截面的 μCT 表征，取自每个 AlSi10Mg 空心支柱晶格的第一晶胞层的中心

(a) 相对屈服强度和 (b) 相对弹性模量与相对密度：AlSi10Mg 空心支柱晶格与 Ti-6Al-4V、Inconel 625、SS316L、CoCr 和 AlSi10Mg 实心支柱晶格的比较

研究发现，使用简单高效的双边界扫描策略，可以通过LPBF技术制造具有高保真内部和外部轮廓以及可忽略不计的容留获粉末的复杂AlSi10Mg空心支柱晶格结构。然而，若要实现完整打印且不会残留粉末，最小壁厚为0.4毫米，最小内径为0.7毫米。

压缩测试表明，所制造的AlSi10Mg空心支柱晶格结构（HSL）达到了Gibson-Ashby模型相对屈服强度的经验上限，与实体支柱晶格结构相当。而具有相当相对密度的Ti-6Al-4V、AlSi10Mg和SS316L的固体支柱晶格(SSL) 通常低于该上限。此外，空心支柱晶格在绝对密度低得多的情况下，绝对屈服强度、弹性模量均与实体支柱晶格相当，从而开发出了基于AlSi10Mg空心支柱晶格的具有轻质和高效结构的超材料。