【AMF论文推荐】武汉理工大学杨磊教授团队：一种基于三重周期性极小曲面的点阵结构生成器

引用论文

Di Lin, Cong Zhang, Xiyong Chen, Nannan Wang, Lei Yang. TPMS_Scaffold_Generator: A Scaffold-Structure Generator Based on Triply Periodic Minimal Surfaces. Additive Manufacturing Frontiers, Volume 3, Issue 2, 2024, 200123.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200123.

文章链接：

1研究背景及目的

由于AM的快速发展，具有轻量化、减振、散热等优异性能的基于三重周期性极小曲面（TPMS）点阵结构被学者广泛研究。为了让学者们能够按照自己的需求，轻松地获得所需的点阵结构模型，加速对这类点阵几何特征及力、热、振等性能的研究，团队研发出一款简单免费的TPMS_Scaffold_Generator软件，并进行了典型零件的增材与力学测试。

2论文亮点

（1）TPMS_Scaffold_Generator可以获得超低体积分数（1% - 4%）的gyroid，IWP，primitive的杆状点阵结构模型。

（2）生成的结构模型可有效用于LPBF、SLA等技术。较为系统的研究通过LPBF技术打印的Fischer-Koch均匀、沿X轴梯度、沿Z轴梯度Ti-6Al-4V点阵结构的压缩性能。

（3）提供了多重对称点阵结构的设计思路。TPMS_Scaffold_Generator可生成二重、四重对称结构。

图1 (a) 超低体积分数TPMS点阵结构；（b）均匀、沿Z轴梯度、沿X轴梯度Fischer-Koch点阵结构；（c）多取向对称点阵结构。

3试验方法

使用MATLAB (Mathworks Inc., USA)自带APP designer 开发能够快速有效生成极小曲面点阵结构；集成开发环境 (IDE) 为Inter(R) Core(TM) i7-10655G7 CUP @ 1.30 GHz 1.50 GHz with 8.00 GB of RAM。激光粉末床熔融Ti-6Al-4V粉末制备点阵样品。准静态压缩均匀、沿Z轴梯度以及沿X轴梯度的Fischer-Koch（FK）点阵结构。

4结果

制备典型样件，进行单轴压缩试验中，均匀Ti-6Al-4V FK点阵结构（U-FK）与沿Z轴梯度方向的FK点阵结构（G1-FK）断裂形式均为逐层断裂，而沿着X轴梯度方向的FK点阵结构（G2-FK）为45°断裂。在应力应变曲线图中，U-FK与G2-FK所表现的压缩性能几乎一致，而G1-FK先于U-FK与G2-FK断裂，约为应变4%时断裂，但随着结构层体积分数的提高，承载能力有明显提高。

图2 三种结构单轴压缩截图

5结论

本文成功开发TPMS_Scaffold_Generator软件，得到各类极小曲面点阵结构的生成方法；系统性研究了八种TPMS三角函数方程中的参数t与结构体积分数的关系；创新性的提出了多重对称点阵结构的设计思路此外，对具有不同方向梯度以及均匀的Fischer-Koch模型的单轴压缩测试表明，受力方向与梯度方向不一致将表现较大的力学性能差异，但如果出现沿受力方向一致对应每层的体积分数相同，则两者承载力接近相同。

6前景与应用

1.TPMS_Scaffold_Generator可以有效生成多种类型的TPMS点阵结构模型，可以应用于航空航天航海等领域的轻量化/功能设计。

2.团队后期拟在该软件基础上，进一步开发点阵结构力、热、振等分析模块，实现结构与功能一体化设计。

相关程序链接：

https://github.com/LeveeLin/TPMS_Scaffold_Generator.git

关于团队

作者团队介绍

杨磊（本文通讯作者、课题组带头人），武汉理工大学，教授/博导，入选湖北省高层次人才计划、武汉理工大学15551卓越人才工程。现任中国材料研究学会增材制造分会秘书长、中国有色金属学会增材制造专业委员会委员，主要从事连续纤维复合材料与点阵结构的增材制造技术研发，主持国家自然科学基金青年项目、湖北省自然科学基金青年项目、国防预研创新特区等项目；作为子课题负责人参与国家自然科学基金重点项目、湖北省重点研发计划等项目。近5年，发表SCI论文50余篇，包括一作/通迅作者SCI论文25篇，核心成果发表在Acta Mater.、Int. J. Mach. Tools Manuf., Compos. Sci. Technol., Addit. Manuf.等本领域的国际权威期刊，3篇论文入选ESI高被引论文；授权发明专利10项，获批软件著作权2项，出版学术专著、教材3部（包含1部ELSEVIER出版英文专著）。

团队研究方向

本课题组从事连续纤维复合材料与点阵结构的增材制造技术研发与应用。具体包括：

（1）功能点阵结构的设计、制备及仿真分析。开发轻量化/承载、轻量化/吸隔振、轻量化/热交换等点阵结构的设计软件、开展功能点阵结构的增材工艺优化、研发基于点阵结构的功能仿真分析方法。

（2）连续纤维增强复合材料增材制造装备与工艺开发。研制连续纤维预浸丝制备装备与连续纤维复合材料增材制造装备、开发连续纤维路径规划算法、优化增材成形工艺，表征其表面及内部缺陷，分析其在静态载荷和动态载荷作用下的力学和破坏行为。

近年团队发表文章

[1] Jiulu Jin, Siqi Wu, Lei Yang*, Cong Zhang, Yang Li, Chao Cai, Chunze Yan*, Yusheng Shi. Ni–Ti multicell interlacing Gyroid lattice structures with ultra-high hyperelastic response fabricated by laser powder bed fusion. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2024, 195: 104099.

[2] Cong Zhang, Hui Qiao, Lei Yang*, Wu Ouyang*, Tao He, Bing Liu, Xiyong Chen, Nannan Wang, Chunze Yan. Vibration characteristics of additive manufactured IWP-type TPMS lattice structures. Composite Structures, 2024, 327:117642

[3] Zhen Ouyang, Lei Yang*, Zhanpeng Pi, Zhihao Wang, Chunze Yan*, Yusheng Shi. Robot-assisted laser additive manufacturing for high-strength/low-porosity continuous fiber-reinforced thermoplastic composites. Composites Science and Technology, 2024, 247: 110397

[4] Siqi Wu, Lei Yang*, Peng Chen, Changshun Wang, Zhaoqing Li, Chunze Yan*, Yusheng Shi. Performance optimization of si/sic ceramic triply periodic minimal surface structures via laser powder bed fusion. Journal of the American Ceramic Society, 2023, 106(12): 7419

[5] Lei Yang, Yang Li, Yun Chen, Chunze Yan, Bing Liu, Yusheng Shi. Topologically optimized lattice structures with superior fatigue performance. International Journal of Fatigue, 2022, 165: 107188

[6] Haoze Wang, Peng Chen, Hongzhi Wu, Annan Chen, Siqi Wu, Jin Su, Mingzhe Wang, Xiaobo Feng, Cao Yang, Lei Yang*, Chunze Yan*, Yusheng Shi. Comparative evaluation of printability and compression properties of poly-ether-ether-ketone triply periodic minimal surface scaffolds fabricated by laser powder bed fusion. Additive Manufacturing, 2022, 57: 102961

[7] Siqi Wu, Lei Yang*, Changshun Wang, Chunze Yan*, Yusheng Shi. Si/sic ceramic lattices with a triply periodic minimal surface structure prepared by laser powder bed fusion. Additive Manufacturing, 2022, 56: 102910

[8] Lei Yang*, Yang Li, Siqi Wu, Peng Chen, Hongzhi Wu, Jin Su, Haoze Wang, Jie Liu, Chunze Yan, Yusheng Shi. Tailorable and predictable mechanical responses of additive manufactured TPMS lattices with graded structures. Materials Science and Engineering: A, 2022, 843: 143109

[9] Lei Yang, Siqi Wu, Chunze Yan*, Peng Chen, Lei Zhang, Changjun Han, Chao Cai, Shifeng Wen, Yan Zhou, Yusheng Shi*. Fatigue properties of Ti-6Al-4V gyroid graded lattice structures fabricated by laser powder bed fusion with lateral loading. Additive Manufacturing, 2021, 46: 102214

[10] Lei Yang, Chunze Yan*, Wenchao Cao, Zhufeng Liu, Bo Song, Shifeng Wen, Cong Zhang, Yusheng Shi, Shoufeng Yang*. Compression–compression fatigue behaviour of gyroid-type triply periodic minimal surface porous structures fabricated by selective laser melting. Acta Materialia, 2019, 181: 49.

作 者：林 堤

责任编辑： 李 娜

责任校对：金 程

审 核： 张 强

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