3D打印蜂窝结构的抗压吸能性能研究

邱月 王俊成 侯宇翔 陈嘉龙 安栋

摘   要：蜂窝结构是理想的轻质结构，其抗压、抗冲能力和吸能性能较好。文章以圆形、六边形为例，采用3D打印技术制备蜂窝结构，通过单轴压缩实验研究了组合蜂窝的抗压、抗冲能力和吸能性能。

关键词：3D打印;蜂窝结构;吸能

蜂窝结构孔隙多、相对密度小，是理想的轻质结构。由于它的强度、刚度与变形能力较优秀，常被作为吸能减震构件。蜂窝的结构和组合对其抗压、抗冲能力和吸能性能是研究的热点。由于蜂窝结构相对简单、可以复制相同部分构成、大小形状均可控，在飞行器、汽车、矿业等领域均有大量应用。王博等[1]开展了Kagome、正三角形和菱形蜂窝结构的面内准静态压缩力学行为实验研究，研究结果表明，蜂窝形状的改变和周期性排布会对整体变形模式及能量吸收性能产生较大的影响。鄂玉萍等[2]建立蜂窝纸板的能量吸收理论预报模型，构建缓冲材料吸能特性表征方法。王志伟等[3]应用试验方法和有限元技术研究和分析蜂窝纸板的动态冲击压缩过程，研究了蜂窝纸板的冲击承载能力和能量吸收能力。

3D打印（3D Printing）也叫增材制造（Additive Manufacturing），是一种全新的制造技术[4]，该技术在成形原理上采用了层层叠加的方式，加工工艺不受实体原形复杂程度的影响[5]，可以实现具有复杂外轮廓形状的熔积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）。

本文以六边形、圆形、半圆形为例，采用3D打印技术制备了3种蜂窝结构，通过组合、剪切、融合对比研究了不同形状组合蜂窝的抗压、抗冲能力和吸能性能。

1    蜂窝结构模型

1.1  模型建立

以六边形、圆形、半圆形为例，建立蜂窝结构，构件平面尺寸为186 mm×162 mm，壁厚2 mm，六边形边长20 mm，如图1所示。圆形半径22 mm。通过组合、剪切、融合建立了不同形状的组合蜂窝。采用建模软件建立蜂窝构件的三维模型，如图2所示。stl格式的模型通过gcode语言编译成与3D打印适配的模型。

1.2  模型打印

传统的试件制作方法需要大型设备成型，塑料材料需要模具，金属材料需要高温，混凝土需要支模。3D打印改变了旧有的方式，采用层层叠加的方式将熔化的材料堆积成型，可以实现复杂的造型。本文蜂窝结构成型在上述建模的基础上，采用3D打印机将模型一次成型，如图3所示。

1.3  模型材料

3D打印采用熔积成型，受限于3D打印机，本文采用PLA材料，是3D打印中常用的材料，其热稳定性好，加工温度为170～230 ℃，有良好的抗溶剂性，可生物降解，光泽度、透明性、手感和耐热性好，还具有一定的阻燃性，用途广泛。3D打印成型的蜂窝构件如图4所示。

2    模型压缩实验

2.1  實验设备

对3D打印完成的蜂窝构件进行单轴压缩实验，加载所采用的压力试验机如图5所示。

2.2  实验结果

单轴压缩的蜂窝构件变形如图6所示，可以看出，蜂窝构件主要变形来自蜂窝侧壁。六边形蜂窝的组成单元六边形经历变形、错位和压扁等过程，圆形蜂窝经历变形、椭圆化和压扁等过程，整体变形较为类似。多个构件的外壁均产生外凸，说明蜂窝构件整体的外壁对压缩变形很重要，外壁对保持蜂窝结构的整体稳定性很重要。图7为蜂窝构件单轴压缩实验得到的荷载位移曲线，可以看出，圆形蜂窝的承载力和变形较大，符合典型的吸能构件荷载位移曲线（见图8（a））。六边形蜂窝作为蜂窝结构最重要的形式也有其特点，虽然峰值荷载较高，但波动较大。圆形蜂窝+半圆形的构件荷载波动最小，且变形较大，虽然后期有所升高，但比较符合理想的吸能构件的变形曲线（见图8（b））。

3    结语

本文采用3D打印技术制备了圆形、六边形等蜂窝结构，通过单轴压缩实验研究了组合蜂窝的抗压、抗冲能力和吸能性能。本文研究的几种蜂窝结构中，圆形+半圆形组合的蜂窝，变形曲线比较符合理想的吸能曲线，荷载位移曲线波动较小，变形较大。3D打印技术可用于小构件的快速实现，能够用于结构实验中。

[参考文献]

[1]王博，张雄，徐胜利.2D周期蜂窝结构面内静动态压缩力学行为研究[J].力学学报，2009（2）：274-281.

[2]鄂玉萍，王志伟.纸质缓冲材料能量吸收特性研究进展[J].振动与冲击，2010（5）：40-45，238-239.

[3]王志伟，姚著.蜂窝纸板冲击压缩的试验研究和有限元分析[J].机械工程学报，2012（12）：49-55.

[4]朱伟军，李涤尘，任科，等.基于3D打印的舵面可调实用化飞机风洞模型的设计与试验[J].航空学报，2014（2）：400-407.

[5]刘媛媛，张付华，陈伟华，等.面向3D打印复合工艺的生物CAD/CAM系统及试验研究[J].机械工程学报，2014（15）：147-154.

[6]杨帆，王鹏，范华林，等.薄壁管状吸能结构的吸能性能及变形模式的理论研究进展[J].力学季刊，2018（4）：663-680.