摘?要：主要對3D打印的多孔鋁材料在車輛碰撞過程中吸能性能進行分析，通過研究發(fā)現(xiàn)，多孔鋁材料在平臺區(qū)吸能效果最好，孔徑的大小對多孔鋁材料的吸能性能有很大的影響，細化孔徑是提高多孔鋁吸能能力的有效途徑。

關鍵詞：3D打印;多孔鋁;吸能

中圖分類號：U463?文獻標識碼：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

作者簡介：譚錚（1980-），男，土家族，湖南常德人，碩士，講師，研究方向：機械制造。

0?引言

3D打印技術，是以計算機三維設計模型為基礎，通過切片軟件對模型進行分層和數(shù)控成型系統(tǒng)的控制，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料等特殊材料進行逐層堆積粘結(jié)，最終疊加成型，打印出實體產(chǎn)品。3D打印技術屬于“增材加工”技術的一種，與傳統(tǒng)的“減材加工”技術制造理念截然不同。傳統(tǒng)的制造技術一般是在原材料基礎上，通過車銑刨磨等工藝方法，將多余部分去除，得到零部件，進而通過焊接、拼裝等方法形成最終產(chǎn)品，整個生產(chǎn)過程需要消耗大量的人力、物力和財力。而3D打印技術的生產(chǎn)過程不需要模具和加工機床，在理論上可以打印生產(chǎn)任何形狀的產(chǎn)品，大大縮短了研發(fā)周期，減少了原材料的消耗，提高了生產(chǎn)效率。

多孔鋁是一種以鋁或鋁合金作為基體，由金屬骨架和孔隙作為復合相的金屬材料，里面含有大量的胞元結(jié)構(gòu)和孔隙。具有一系列優(yōu)異的物理性能，熱導率低、耐蝕性好、質(zhì)量輕并且具有良好的吸能特性和高比剛度，耐高溫，是一種不可燃材料。由于多孔鋁的彈性變形可吸收一部分機械沖擊能，因此能量吸收性能是多孔鋁材料的一個重要用途，在汽車沖擊區(qū)使用多孔鋁制成適當?shù)脑?，可控制最大能耗的變形，提高汽車整體的安全性能。

1?實驗

1.1?試樣制備

委托株洲夏普高新材料有限公司以鋁合金粉為原料，采用電子束熔融技術（Electron Beam Melting， EBM）制造出多孔鋁合金材料，共制造3組試樣，如表1所示。

2?實驗結(jié)果與分析

在萬能材料實驗機上對試樣進行測試，試樣放在實驗機底板的中心位置，上面的鋼板向下運動，速度為5 mm·min-1，實驗中，為了消除塑料變形對彈性變形區(qū)應力—應變曲線加載斜率的影響，在加載負荷到達抗壓強度的80%時卸載，實驗結(jié)果如表2和圖1所示。

多孔鋁的壓縮應力—應變曲線具有三個階段：分別是彈性區(qū)、平臺區(qū)和密實區(qū)。初期的彈性變形，時間短暫，與實體金屬的變形相同，其結(jié)構(gòu)關系可以表示為

在單向應力下，σ2=0。接下來的形變發(fā)生在平臺區(qū)，應變不斷增大，但是應力的變化不大，在這一階段，材料內(nèi)部出現(xiàn)屈服或失穩(wěn)現(xiàn)象。實體鋁合金的形變符合Von Mises準則，當有效應力σe達到屈服應力σs時，材料將產(chǎn)生塑性變形，其屈服函數(shù)可表示為

多孔鋁和實體鋁不同，其彈性范圍很小，在超出這個范圍以后，多孔鋁就會發(fā)生屈服、失穩(wěn)和斷裂，然后被壓緊實，因此，不滿足Von Mises準則，通過實驗分析，得出多孔鋁的塑料變形屈服函數(shù)

最后的密實化階段，多孔鋁的剛度陡然增強，表現(xiàn)出明顯的應變硬化現(xiàn)象。在沖擊過程中，有平臺應力的材料吸能性更強，防護作用更好。

當多孔鋁材料承載時，外部施加的力就會做功，多孔鋁材料變形達到應變ε過程中吸收的能量，等于應力—應變曲線下一直到應變ε的面積。多孔鋁材料的吸能性可以用單位體積多孔材料壓縮到應變量為ε過程中所吸收的能量W來表示

從實驗的3組多孔鋁試樣可以發(fā)現(xiàn)，隨著孔徑的增大，材料的吸能量、比吸能、平均載荷和壓縮力效率都隨之下降。所以，多孔鋁材料的吸能性與孔徑的大小有密切的關系，孔徑越小吸能性越好。

3?結(jié)論

（1）多孔鋁具有優(yōu)異的吸能能力，吸能過程主要發(fā)生在平臺區(qū)，平臺區(qū)越長越高，吸能效果越好。

（2）孔徑的大小對多孔鋁吸能影響非常大，細化孔徑是提高多孔鋁吸能能力的有效途徑。

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