第1章緒論(1)

1.1引言(1)

1.2激光選區熔化技術的原理及發展現狀(4)

1.3三周期極小曲面概述(6)

1.4三周期極小曲面點陣結構的力學性能及研究現狀(12)

1.5本書大綱(16)

本章參考文獻(18)

第2章TPMS點陣結構的設計(27)

2.1引言(27)

2.2MATLAB軟件介紹(28)

2.3均勻孔隙TPMS點陣結構的生成方法(30)

2.4梯度孔隙TPMS點陣結構的生成方法(31)

2.5本章小結(32)

本章參考文獻(32)

第3章金屬合金均勻TPMS點陣結構(33)

3.1引言(33)

3.2采用SLM技術制備TPMS點陣結構的工藝性研究(34)

3.3TPMS點陣結構的顯微結構研究(52)

3.4TPMS點陣結構的力學行為評價(65)

3.5表面改性和羥基磷灰石塗層(76)

本章參考文獻(86)

第4章TPMS點陣結構復合材料(92)

4.1引言(92)

4.2應用於電磁干擾的Cu合金/石墨烯復合材料(92)

4.3NiCu合金/石墨烯支架的熱應用(97)

4.4316L復合材料的輕量化應用(103)

本章參考文獻(116)

第5章均勻TPMS點陣結構力學性能分析(123)

5.1引言(123)

5.法分析(124)

5.3解析法分析(132)

5.4本章小結(146)

本章參考文獻(147)

第6章功能梯度TPMS點陣結構(154)

6.1引言(154)

6.2316L梯度Gyroid點陣結構(155)

6.3純Ti梯度TPMS點陣結構(175)

6.4梯度TPMS中的單胞大小效應(183)

6.5梯度Gyroid TPMS點陣結構的力學響應(195)

本章參考文獻(202)

第7章均勻TPMS點陣結構的疲勞性能(213)

7.1引言(213)

7.2方法與步驟(214)

7.3實驗結果(216)

7.4點陣結構疲勞失效機理及強化機制(228)

7.5本章小結(234)

本章參考文獻(235)

第8章梯度Gyroid點陣結構的壓縮疲勞強化機制研究(244)

8.1引言(244)

8.2本章方法與實驗(245)

8.3點陣結構的制造精度分析(246)

8.4靜態壓縮性能的影響(252)

8.5疲勞性能(254)

8.6本章小結(271)

本章參考文獻(272)

第9章應用與展望(276)

9.1潛在應用(276)

9.2研究展望(280)

本章參考文獻(281) 

總序“中國制造2025”提出通過三個十年的“三步走”戰略，使中國制造綜合實力進入世界強國前列。近三十年來，3D打印（增材制造）技術是歐美日等高端工業產品開發、試制、定型的重要支撐技術，也是中國制造業創新、重點行業轉型升級的重大共性需求技術。 新的增材原理、新材料的研發、設備創新、標準建設、工程應用，必然引起各國“產學研投”界的高度關注。3D打印是一項集機械、計算機、數控、材料等多學科於一體的，新的數字化先進制造技術，應用該技術可以成形任意復雜結構。其制造材料涵蓋了金屬、非金屬、陶瓷、復合材料和超材料等，並正在從3D打印向4D、5D打印方向發展，尺度上已實現8 m構件制造並向微納制造發展，制造地點也由地表制造向星際、太空制造發展。這些進展促進了現代設計理念的變革，而智能技術的融入又會促成新的發展。3D打印應用領域非常廣泛，在航空航天、航海、潛海、交通裝備、生物醫療、康復產業、文化創意、創新教育等領域都有非常誘人的前景。中國高度重視3D打印技術及其產業的發展，通過國家基金項目、科技攻關項目、研發計劃項目支持3D打印技術的研發推廣，經過二十多年培養了一批老中青結合、具有國際化視野的科研人纔，國際合作廣泛深入，國際交流碩果累累。作為“中國制造2025”的發展重點，3D打印在近幾年取得了蓬勃發展，圍繞重大需求形成了不同行業的示範應用。通過政策引導，在社會各界共同努力下，3D打印關鍵技術不斷突破，裝備性能顯著提升，應用領域日益拓展，技術生態和產業體繫初步形成；湧現出一批具有一定競爭力的骨干企業，形成了若干產業集聚區，整個產業呈現快速發展局面。華中科技大學出版社緊跟時代潮流，瞄準3D打印科學技術前沿，組織策劃了本套“3D打印前沿技術叢書”，並且，其中多部將與愛思唯爾（Elsevier）出版社一起，向全球聯合出版發行英文版。本套叢書內容聚焦前沿、關注應用、涉獵廣泛，不同領域專家、學者從不同視野展示學術觀點，實現了多學科交叉融合。本套叢書采用開放選題模式，聚焦3D打印技術前沿及其應用的多個領域，如航空航天、工藝裝備、生物醫療、創新設計等領域。本套叢書不僅可以成為我國有關領域專家、學者學術交流與合作的平臺，也是我國科技人員展示研究成果的國際平臺。近年來，中國高校設立了3D打印專業，高校師生、設備制造與應用的相關工程技術人員、科研工作者對3D打印的熱情與日俱增。由於3D打印技術僅有三十多年的發展歷程，該技術還有待於進一步提高。希望這套叢書能成為有關領域專家、學者、高校師生與工程技術人員之間的紐帶，增強作者、編者與讀者之間的聯繫，促進作者、讀者在應用中凝練關鍵技術問題和科學問題，在解決問題的過程中，共同推動3D打印技術的發展。我樂於為本套叢書作序，感謝為本套叢書做出貢獻的作者和讀者，感謝他們對本套叢書長期的支持與關注。西安交通大學教授中國工程院院士 盧秉恆2018年11月前言增材制造(AM)是一項集機械、計算機、數控、材料等不同學科於一體的新型數字化先進制造技術，它采用分層制造、逐層疊加原理，理論上可成形任意復雜結構。這種新的先進制造技術可將傳統面向工藝的零部件設計轉變為面向性能的全新設計，被稱為當今制造業的一場革命。激光選區熔化(SLM)是一種粉末床熔融增材制造工藝，通過選擇性地熔化金屬粉末層，能夠制造出接近完全致密、幾何形狀復雜的金屬構件。因此，與傳統制造技術相比，SLM技術在成形具有可拓撲、尺寸和孔隙度的金屬周期性點陣結構方面具有明顯優勢。近年來，人們利用增材制造工藝設計和成形了各種類型的點陣結構。三周期極小曲面(TPMS)是一種光滑的無限曲面，其在沒有自交叉的情況下將空間劃分為兩個區域，並且在三個坐標軸方向上是周期性的。TPMS結構在自然界生物繫統中廣泛存在，如蝴蝶翅膀、甲殼蟲外骨骼等生物有機體中均存在類似極小曲面的相關結構。由於TPMS結構具有復雜而高度對稱的拓撲結構以及優異的物理、化學、機械和光學性質，因此其引起了各個領域的廣泛關注並得到應用。如TPMS結構具有比強度高、能量吸收能力強等特點，利用其曲面特性，可以獲得非凡的手性光學性能、較高的催化效率和能量轉換效率。為繫統地介紹專業知識，培養相關科技研究人員，華中科技大學快速制造中心(RMC)團隊和中國地質大學珠寶先進制造團隊總結了TPMS點陣結構增材制造方面的研究成果，形成了這本專著《增材制造三周期極小曲面仿生超材料》。本書詳細介紹了激光選區熔化增材制造的TPMS點陣結構的設計、制造、顯微組織、力學性能和應用示例設計。全書分為9章：第1章概述了基於增材制造的點陣結構設計方法，並分析了TPMS點陣結構的優點；第2章介紹了用於生成均勻和梯度TPMS點陣結構的軟件工具和設計過程；第3章分析了基於SLM技術制備的不同金屬材料的TPMS點陣結構的可制造性，並討論了均勻TPMS點陣結構的制造精度、微觀組織和靜態力學性能；第4章介紹了TPMS點陣結構復合材料的制備方法和性能分析；第5章建立了一種基於SLM技術制備的TPMS點陣結構的材料本構模型，用模擬；第6章基於數值分析方法，建立了一種用於預測梯度點陣結構力學性能的數學模型，用於分析功能梯度TPMS點陣結構的制造精度和力學響應；第7章對均勻TPMS點陣結構進行了疲勞試驗和分析，揭示了裂紋形核、擴展和表面拉應力的機理；第8章分析測試了梯度TPMS點陣結構，揭示了梯度結構對TPMS點陣結構疲勞性能的影響規律；第9章對TPMS點陣結構的應用進行展望。本書集中反映了華中科技大學快速制造中心團隊和中國地質大學珠寶先進制造團隊的相關研究成果。團隊的主要研究成員除了本書的作者以外，還包括史玉升教授、魏青松教授、韓昌俊博士、陳鵬博士、伍宏志博士。衷心地感謝團隊內的各位教師、工程技術人員和歷屆研究生長期不懈的辛勤工作！增材制造三周期極小曲面仿生超材料前言由於本書首次以激光選區熔化增材制造三周期極小曲面點陣結構作為一條主線撰寫而成，且有些研究工作還在進行之中，我們對該技術的認識還在不斷深化之中，加之作者的學術水平和知識面有限，對一些問題的理解還不夠深入，因此書中的錯誤和缺陷在所難免，殷切地期望同行專家和讀者的建議和意見，以便進一步改進。闫春澤2021年8月