3D打印技术之胞元建模四大类型

胞元结构是增材制造的一个重要的研究领域，就像建筑用的空心砖，胞元的应用减少了材料的使用，有效帮助实现轻量化，而与此同时，如何保证仍然满足力学性能的要求，则成为建模界“才下眉头、却上心头”萦绕不散的要紧事。

四大常见结构

蜂窝

蜂窝结构是蜂巢的基本结构,是由一个个正六角形单房、房口全朝下或朝向一边、背对背对称排列组合而成的一种结构。这种结构有着优秀的几何力学性能，因此在材料学科具有广泛应用。

蜜蜂的蜂窝构造非常精巧、适用而且节省材料。蜂房由无数个大小相同的房孔组成，房孔都是正六角形，每个房孔都被其它房孔包围，两个房孔之间只隔着一堵蜡制的墙。令人惊讶的是，房孔的底既不是平的，也不是圆的，而是尖的。这个底是由三个完全相同的菱形组成。有人测量过菱形的角度，两个钝角都是109°而两个锐角都是70°。令人叫绝的是，世界上所有蜜蜂的蜂窝都是按照这个统一的角度和模式建造的。

图：宝马i3碰撞结构设计部分

开孔泡沫

所含泡孔绝大多数都是互相连通的泡沫塑料。开孔结构的获得仅当满足下列条件：（1）每个球形或多边形泡孔必须至少有两个孔或两个破坏面；（2）大多数泡孔棱必须为至少3个结构单元所共有。

与闭孔泡沫相比较，开孔泡沫对水和湿气有更高的吸收能力，对气体和蒸汽有更高的渗透性，对热或电有更低的绝缘性，还有更好的吸收和阻尼声音的能力。

对设计的影响方面，与蜂窝不同的是，开孔泡沫的设计更适合用于刺激环境下（应力、流动、热），这些是不可预测的。作为吸收能量的“利器”，开孔泡沫适合用于复杂结构。开孔泡沫材料之间的互联互通，也使得流体流过该结构更顺畅。

图：金属泡沫材料的扫描电镜图像

图：开孔泡沫单元在压缩下的有限元模拟，考虑了弯曲的主要变形模式

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