胞元結(jié)構(gòu)是增材制造的一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，就像建筑用的空心磚，胞元的應(yīng)用減少了材料的使用，有效幫助實(shí)現(xiàn)輕量化，而與此同時(shí)，如何保證仍然滿足力學(xué)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，小編和網(wǎng)友特分享常見的幾種結(jié)構(gòu)，以及這些結(jié)構(gòu)的應(yīng)用特點(diǎn)。
四大常見結(jié)構(gòu)
蜂窩
蜂窩結(jié)構(gòu)是蜂巢的基本結(jié)構(gòu),是由一個(gè)個(gè)正六角形單房、房口全朝下或朝向一邊、背對(duì)背對(duì)稱排列組合而成的一種結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)有著優(yōu)秀的幾何力學(xué)性能，因此在材料學(xué)科具有廣泛應(yīng)用。
蜜蜂的蜂窩構(gòu)造非常精巧、適用而且節(jié)省材料。蜂房由無數(shù)個(gè)大小相同的房孔組成，房孔都是正六角形，每個(gè)房孔都被其它房孔包圍，兩個(gè)房孔之間只隔著一堵蠟制的墻。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(gè)底是由三個(gè)完全相同的菱形組成。有人測(cè)量過菱形的角度，兩個(gè)鈍角都是109 °而兩個(gè)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(gè)統(tǒng)一的角度和模式建造的。
蜂房的結(jié)構(gòu)引起了科學(xué)家們的極大興趣。經(jīng)過對(duì)蜂房的深入研究，科學(xué)家們驚奇地發(fā)現(xiàn)，相鄰的房孔共用一堵墻和一個(gè)孔底，非常節(jié)省建筑材料；房孔是正六邊形，蜜蜂的身體基本上是圓柱形，蜂在房孔內(nèi)既不會(huì)有多余的空間又不感到擁擠。 蜂窩的結(jié)構(gòu)給航天器設(shè)計(jì)師們很大啟示，他們?cè)谘兄茣r(shí)，采用了蜂窩結(jié)構(gòu)：先用金屬制造成蜂窩，然后再用兩塊金屬板把它夾起來就成了蜂窩結(jié)構(gòu)。這種蜂窩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很高，重量又很輕，還有益于隔音和隔熱。因此，現(xiàn)在的航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星、宇宙飛船在內(nèi)部大量采用蜂窩結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星的外殼也幾乎全部是蜂窩結(jié)構(gòu)。因此，這些航天器又統(tǒng)稱為“蜂窩式航天器”。
圖：寶馬i3碰撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分
開孔泡沫
所含泡孔絕大多數(shù)都是互相連通的泡沫塑料。開孔結(jié)構(gòu)的獲得僅當(dāng)滿足下列條件：（1）每個(gè)球形或多邊形泡孔必須至少有兩個(gè)孔或兩個(gè)破壞面；（2）大多數(shù)泡孔棱必須為至少3個(gè)結(jié)構(gòu)單元所共有。
與閉孔泡沫相比較，開孔泡沫對(duì)水和濕氣有更高的吸收能力，對(duì)氣體和蒸汽有更高的滲透性，對(duì)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(duì)設(shè)計(jì)的影響方面，與蜂窩不同的是，開孔泡沫的設(shè)計(jì)更適合用于刺激環(huán)境下（應(yīng)力、流動(dòng)、熱），這些是不可預(yù)測(cè)的。作為吸收能量的“利器”，開孔泡沫適合用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)。開孔泡沫材料之間的互聯(lián)互通，也使得流體流過該結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)完整，泡孔之間相互鼓勵(lì)，互不相通。但在實(shí)際中，開孔結(jié)構(gòu)和閉孔結(jié)構(gòu)可能同時(shí)存在泡沫中出現(xiàn)，只是出現(xiàn)的幾率不同而已。因此，根據(jù)泡沫中開孔結(jié)構(gòu)和閉孔結(jié)構(gòu)所占比率，將閉孔結(jié)構(gòu)達(dá)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(jié)構(gòu)對(duì)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(xué)強(qiáng)度較高，絕熱性和沖緩性都較優(yōu)，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(dǎo)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(jié)構(gòu)材料等用途。
晶格
晶格的外觀非常類似于開孔泡沫，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(jié)構(gòu)的材料特點(diǎn)是重量輕、高強(qiáng)度比和高特定剛性。并且?guī)砀鞣N熱力學(xué)特征，晶格結(jié)構(gòu)的超輕型結(jié)構(gòu)適合用在抗沖擊/爆炸系統(tǒng)、或者充當(dāng)散熱介質(zhì)、聲振、微波吸收結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。
波音公司就將晶格結(jié)構(gòu)的超輕3D打印材料用于飛機(jī)墻面和地板等非機(jī)械部件。這使得飛機(jī)重量大大減輕，提高飛機(jī)的燃油效率。感謝晶格結(jié)構(gòu)的獨(dú)特特性以及低體積容量，晶格結(jié)構(gòu)與功能部件的設(shè)計(jì)結(jié)合已被證明是增材制造發(fā)揮潛力的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域。
Thales Alenia Space還打印了含晶格的金屬結(jié)構(gòu)重量為1.7公斤，體積為134×28×500毫米。用于歐洲最大的衛(wèi)星制造商Thales Alenia Space的衛(wèi)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
