中南大學：復合材料晶格結構填充多胞管的一體化設計與增材制造
目前有研究通過AM-增材制造技術來開發功能梯度點陣晶格結構，該結構具有結構中的細胞特性變化。盡管如此，仍存在一些挑戰，例如控制眾多變量、熱場波動以及增材制造工藝優化。盡管人工智能技術的發展、增材制造過程診斷方法的設計和開發以及熱力學數據庫的創建已經在解決上述問題，但還必須應對一些挑戰。
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根據浙江工業大學激光制造研究院，更多的機構正在研究復雜材料的復雜設計與制造，中南大學交通運輸工程學院將輕質高強的復合材料引入復雜的結構設計中，這些突破性的研究成果以題為《Integrated design and additive manufacturing of lattice-filled multi-cell tubes》的論文發表于學術期刊《Composites Science and Technology》。
圖1.(a)晶格填充多胞管的結構設計和尺寸參數；(b) 晶格結構的單胞；(c) FDM的原理：不同組合策略的示意圖；(d) 裝配成形的晶格填充多胞管；(e) 一體化成形的晶格填充多胞管
兩種組合策略
薄壁結構因其良好的耐沖擊性能和輕質特性，在倒塌過程中展現出穩定且可控的變形模式，因此在車輛被動安全系統中作為吸能結構得到了廣泛應用。隨著對薄壁結構能量吸收器的深入研究，傳統空心管的耐撞性潛力已基本被挖掘完畢。另一方面，晶格結構（LS）因其卓越的力學性能、靈活的設計性和精確的定制特性而備受關注。此外，增材制造技術的發展為結構設計提供了更大的自由度，使得研究人員可以將輕質高強的復合材料引入復雜的結構設計中。
近期，一些研究人員嘗試將LS填充到薄壁結構中以提升其耐撞性。內部的LS可以通過相互作用改變薄壁結構的變形模式，使得混合結構吸收的能量大于各組分之和。此外，研究人員還優化了晶格填料的參數和分布，以實現最佳的耐撞性。然而，目前的晶格填充薄壁結構研究主要集中在金屬材料上，而非復合材料。
中南大學交通運輸工程學院的汪馗教授課題組利用熔融沉積成型（FDM）技術，將短切碳纖維增強聚酰胺復合材料用于制造晶格結構填充的多胞管，設計了裝配成形和一體成形的晶格填充多胞管，并通過準靜態壓縮試驗表征了該結構的力學響應和能量吸收特性，詳細研究了多胞管和晶體結構的變形機理和協同效應。在此基礎上，對兩種組合策略不同變形模式的復合格子填充多胞管的平均壓潰力進行了理論分析。理論結果與實驗研究吻合良好，可推廣到其他具有不同填充構型的晶格填充管。
圖2.晶格填充管(裝配成形)及其各部分組件的(a)力-位移曲線和；(b)能量吸收特性比較
圖3.晶格填充管(一體成形)及其各部分組件的(a)力-位移曲線和；(b)能量吸收特性比較
圖4.(a) 空多胞管；(b) 裝配成形的晶格填充多胞管和；(c) 一體成形的晶格填充多胞管的軸向壓縮過程
正文來源：浙江工業大學激光先進制造研究院
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