增材制造负泊松比晶格结构压缩性能研究：几何构型与材料选择的影响分析

《Scientific Reports》：Mechanical characterization and deformation behaviour of polymer-based lattice structures fabricated via fused deposition modelling

　　摘要利用增材制造技术制备的晶格结构因其能够实现轻量化设计并提升力学性能而受到广泛关注。本研究对两种不同的晶格几何构型进行了对比研究，分别为A结构（凹六边形结构）和B结构（星形三角凹入结构），采用熔融沉积成型（FDM）技术配合PLA和ABS线材进行制造。通过参考研究中的ABAQUS有限元分析（FEA）对设计进行了验证。所得到的变形模式和应力分布与参考研究中报告的结果吻合良好。尽管负泊松比变形受几何构型控制，但其力学性能显著受到材料特性和制造参数的影响。使用万能试验机进行压缩试验，以评估其变形特性和压缩性能。在测试的试样中，PLA的最大压缩应力约为3.2 MPa，而ABS为2.3 MPa；A结构和B结构分别达到了约28 MPa和32 MPa的峰值压缩应力。本研究通过多试样实验测试和有限元模拟，系统研究了负泊松比几何构型和材料选择对FDM制造晶格结构压缩行为的影响，并对实验响应与数值响应进行了定量比较。研究结果为优化PLA晶格结构A的设计提供了有价值的见解，适用于轻质结构板（航空航天/汽车）、无人机框架组件、机械臂与夹具，以及ABS材料用于汽车内饰组件和保护外壳（电子产品外壳），而PLA和ABS的B结构则适用于包装结构（易碎品保护）、汽车碰撞吸能装置（缓冲区域）、头盔内衬与防护装备。