3D打印多孔铝在车辆碰撞吸能中的研究

    

    

    

    摘?要：主要对3D打印的多孔铝材料在车辆碰撞过程中吸能性能进行分析，通过研究发现，多孔铝材料在平台区吸能效果最好，孔径的大小对多孔铝材料的吸能性能有很大的影响，细化孔径是提高多孔铝吸能能力的有效途径。

    关键词：3D打印;多孔铝;吸能

    中图分类号：U463?文献标识码：A

    doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.11.018

    Abstract： The energy absorption performance of 3D printed porous aluminum material during vehicle collision is analyzed. It is found that the porous aluminum material has the best energy absorption effect in platform area， the pore size has a great influence on the energy absorption performance of porous aluminum materials， and refining pore size is an effective way to improve the energy absorption capacity of porous aluminum materials.

    Keywords： 3D printing;porous aluminum;energy absorption

    作者简介：谭铮（1980-），男，土家族，湖南常德人，硕士，讲师，研究方向：机械制造。

    0?引言

    3D打印技术，是以计算机三维设计模型为基础，通过切片软件对模型进行分层和数控成型系统的控制，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料等特殊材料进行逐层堆积粘结，最终叠加成型，打印出实体产品。3D打印技术属于“增材加工”技术的一种，与传统的“减材加工”技术制造理念截然不同。传统的制造技术一般是在原材料基础上，通过车铣刨磨等工艺方法，将多余部分去除，得到零部件，进而通过焊接、拼装等方法形成最终产品，整个生产过程需要消耗大量的人力、物力和财力。而3D打印技术的生产过程不需要模具和加工机床，在理论上可以打印生产任何形状的产品，大大缩短了研发周期，减少了原材料的消耗，提高了生产效率。

    多孔铝是一种以铝或铝合金作为基体，由金属骨架和孔隙作为复合相的金属材料，里面含有大量的胞元结构和孔隙。具有一系列优异的物理性能，热导率低、耐蚀性好、质量轻并且具有良好的吸能特性和高比刚度，耐高温，是一种不可燃材料。由于多孔铝的弹性变形可吸收一部分机械冲击能，因此能量吸收性能是多孔铝材料的一个重要用途，在汽车冲击区使用多孔铝制成适当的元件，可控制最大能耗的变形，提高汽车整体的安全性能。

    1?实验

    1.1?试样制备

    委托株洲夏普高新材料有限公司以铝合金粉为原料，采用电子束熔融技术（Electron Beam Melting， EBM）制造出多孔铝合金材料，共制造3组试样，如表1所示。

    2?实验结果与分析

    在万能材料实验机上对试样进行测试，试样放在实验机底板的中心位置，上面的钢板向下运动，速度为5 mm·min-1，实验中，为了消除塑料变形对弹性变形区应力—应变曲线加载斜率的影响，在加载负荷到达抗压强度的80%时卸载，实验结果如表2和图1所示。

    多孔铝的压缩应力—应变曲线具有三个阶段：分别是弹性区、平台区和密实区。初期的弹性变形，时间短暂，与实体金属的变形相同，其结构关系可以表示为

    在单向应力下，σ2=0。接下来的形变发生在平台区，应变不断增大，但是应力的变化不大，在这一阶段，材料内部出现屈服或失稳现象。实体铝合金的形变符合Von Mises准则，当有效应力σe达到屈服应力σs时，材料将产生塑性变形，其屈服函数可表示为

    多孔铝和实体铝不同，其弹性范围很小，在超出这个范围以后，多孔铝就会发生屈服、失稳和断裂，然后被压紧实，因此，不满足Von Mises准则，通过实验分析，得出多孔铝的塑料变形屈服函数

    最后的密实化阶段，多孔铝的刚度陡然增强，表现出明显的应变硬化现象。在冲击过程中，有平台应力的材料吸能性更强，防护作用更好。

    当多孔铝材料承载时，外部施加的力就会做功，多孔铝材料变形达到应变ε过程中吸收的能量，等于应力—应变曲线下一直到应变ε的面积。多孔铝材料的吸能性可以用单位体积多孔材料压缩到应变量为ε过程中所吸收的能量W来表示

    从实验的3组多孔铝试样可以发现，随着孔径的增大，材料的吸能量、比吸能、平均载荷和压缩力效率都随之下降。所以，多孔铝材料的吸能性与孔径的大小有密切的关系，孔径越小吸能性越好。

    3?结论

    （1）多孔铝具有优异的吸能能力，吸能过程主要发生在平台区，平台区越长越高，吸能效果越好。

    （2）孔径的大小对多孔铝吸能影响非常大，细化孔径是提高多孔铝吸能能力的有效途径。

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