胞元建模四大類型

胞元結構是增材製造的一個重要的研究領域，正如3D科學谷之前的文章《3D列印胞元結構建模的六大挑戰》所提到的，就像建築用的空心磚，胞元的應用減少了材料的使用，有效幫助實現輕量化，而與此同時，如何保證仍然滿足力學性能的要求，則成為建模界「才下眉頭、卻上心頭」縈繞不散的要緊事。

本期，3D科學谷與谷友特分享常見的幾種結構，以及這些結構的應用特點。

四大

常見結構

蜂窩

蜂窩結構是蜂巢的基本結構,是由一個個正六角形單房、房口全朝下或朝向一邊、背對背對稱排列組合而成的一種結構。這種結構有著優秀的幾何力學性能，因此在材料學科具有廣泛應用。

蜜蜂的蜂窩構造非常精巧、適用而且節省材料。蜂房由無數個大小相同的房孔組成，房孔都是正六角形，每個房孔都被其它房孔包圍，兩個房孔之間只隔著一堵蠟制的牆。令人驚訝的是，房孔的底既不是平的，也不是圓的，而是尖的。這個底是由三個完全相同的菱形組成。有人測量過菱形的角度，兩個鈍角都是109°而兩個銳角都是70°。令人叫絕的是，世界上所有蜜蜂的蜂窩都是按照這個統一的角度和模式建造的。

蜂房的結構引起了科學家們的極大興趣。經過對蜂房的深入研究，科學家們驚奇地發現，相鄰的房孔共用一堵牆和一個孔底，非常節省建築材料；房孔是正六邊形，蜜蜂的身體基本上是圓柱形，蜂在房孔內既不會有多餘的空間又不感到擁擠。 蜂窩的結構給航天器設計師們很大啟示，他們在研製時，採用了蜂窩結構：先用金屬製造成蜂窩，然後再用兩塊金屬板把它夾起來就成了蜂窩結構。這種蜂窩結構強度很高，重量又很輕，還有益於隔音和隔熱。因此，現在的太空梭、人造衛星、宇宙飛船在內部大量採用蜂窩結構，衛星的外殼也幾乎全部是蜂窩結構。因此，這些航天器又統稱為「蜂窩式航天器」。

圖：寶馬i3碰撞結構設計部分

開孔泡沫

所含泡孔絕大多數都是互相連通的泡沫塑料。開孔結構的獲得僅當滿足下列條件：（1）每個球形或多邊形泡孔必須至少有兩個孔或兩個破壞面；（2）大多數泡孔棱必須為至少3個結構單元所共有。

與閉孔泡沫相比較，開孔泡沫對水和濕氣有更高的吸收能力，對氣體和蒸汽有更高的滲透性，對熱或電有更低的絕緣性，還有更好的吸收和阻尼聲音的能力。

對設計的影響方面，與蜂窩不同的是，開孔泡沫的設計更適合用於刺激環境下（應力、流動、熱），這些是不可預測的。作為吸收能量的「利器」，開孔泡沫適合用於複雜結構。開孔泡沫材料之間的互聯互通，也使得流體流過該結構更順暢。

圖：金屬泡沫材料的掃描電鏡圖像

圖：開孔泡沫單元在壓縮下的有限元模擬，考慮了彎曲的主要變形模式

閉孔泡沫

閉孔泡沫的泡孔是由泡壁和泡棱圍城的閉合結構，結構完整，泡孔之間相互鼓勵，互不相通。但在實際中，開孔結構和閉孔結構可能同時存在泡沫中出現，只是出現的幾率不同而已。因此，根據泡沫中開孔結構和閉孔結構所佔比率，將閉孔結構達90%以上的泡沫定義為閉孔泡沫；反之則定義為開孔泡沫。

泡孔結構對泡沫塑料的性能有重大的影響，一般情況下，閉孔泡沫塑料的力學強度較高，絕熱性和沖緩性都較優，吸水性小，而開孔泡沫塑料較柔軟，更富彈性，隔音性良好。閉孔泡沫塑料除具有一般泡沫塑料特性外，還具有較低的導熱性和吸水性。

閉孔泡沫材料一般用作保溫、絕緣、隔音、包裝、漂浮、減震以及結構材料等用途。

晶格

晶格的外觀非常類似於開孔泡沫，但不同的是，晶格成員的變形是拉伸為主，而不是彎曲。

晶格結構的材料特點是重量輕、高強度比和高特定剛性。並且帶來各種熱力學特徵，晶格結構的超輕型結構適合用在抗衝擊/爆炸系統、或者充當散熱介質、聲振、微波吸收結構和驅動系統中。

波音公司就將晶格結構的超輕3D列印材料用于飛機牆面和地板等非機械部件。這使得飛機重量大大減輕，提高飛機的燃油效率。感謝晶格結構的獨特特性以及低體積容量，晶格結構與功能部件的設計結合已被證明是增材製造發揮潛力的優勢領域。

Thales Alenia Space還列印了含晶格的金屬結構重量為1.7公斤，體積為134×28×500毫米。用於歐洲最大的衛星製造商Thales Alenia Space的衛星上。

參考資料推薦：

[1] Ashby, 「Materials Selection in Mechanical Design,」 Fourth Edition

[2] Gibson & Ashby, 「Cellular Solids: Structure & Properties,」 Second Edition

[3] Gibson, Ashby & Harley, 「Cellular Materials in Nature & Medicine,」 First Edition

[4] Ashby, Evans, Fleck, Gibson, Hutchinson, Wadley, 「Metal Foams: A Design Guide,」 First Edition

[5] Deshpande, Ashby, Fleck, 「Foam Topology Bending versus Stretching Dominated Architectures,」 Acta Materialia 49

[6] Deshpande, Fleck, Ashby, 「Effective properties of the octet-truss lattice material,」 Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 49

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