南航顾冬冬顶刊丨激光粉末床熔融轻量化仿生夹芯结构设计及成形研究_Inspire_断裂_燃料电池_光学_航空_航天_电子_增材_理论_材料_仿生

南航顾冬冬顶刊丨激光粉末床熔融轻量化仿生夹芯结构设计及成形研究

研究背景及目的

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种可将氢气和氧气通过催化反应直接转化成电能的能源转化装置，因具有无污染、高转换效率、补能快、低噪声等特点，是实现“碳达峰”和“碳中和”最有潜力的技术之一。双极板作为PEMFC关键组件之一，具有分隔阴阳极、去除副产物和消散反应热等功能。相较于传统石墨双极板，金属双极板具有优异的机械性能、导电和导热性能，但其较高的重量制约了金属双极板的应用。本研究针对氢燃料电池金属双极板结构重量过大的问题，开展了双极板轻量化仿生夹芯结构设计及激光粉末床熔融技术成形研究，旨在为氢燃料电池金属双极板的轻量化结构设计及激光增材制造提供理论参考。

试验方法

以甲虫翅鞘为仿生对象，设计了具有不同分形角度的仿生蜂窝夹层结构，并以316L不锈钢粉末为材料，通过激光粉末床熔融成形技术制备了具有不同仿生蜂窝夹层结构的构件。对成形构件进行镶嵌、磨光和抛光，随后使用光学显微镜对成形构件的特定悬垂区域的成形轮廓进行宏观形貌表征。使用100 kN的机电万能电子试验机在室温下对激光粉末床熔融成形的轻量化夹层结构双极板样品进行三点弯曲实验，支座跨距和压头直径分别为20 mm和4 mm，通过压头对结构施加恒定速率2 mm/min的位移载荷。使用直流电阻测试仪在室温下对激光粉末床熔融成形样品进行电阻测试实验，以评估样品的导电性能。测试过程中，利用机电万能电子试验机在绝缘树脂板施加压紧力，随压紧力的缓慢增加记录电阻值，直至直流电阻测试仪上的读数趋于稳定。

图1 具有分形特征的仿生蜂窝夹层设计

结果

对于具有不同分形角度的仿生蜂窝夹层结构，θ45°构件表现出最小的偏差面积（1.53 mm^2），即最高的成形精度，且分别比θ30°（1.74 mm^2）、θ60°（1.80 mm^2）、θ75°（1.83 mm^2）和θ90°（2.54 mm^2）构件低12.07%、15.19%、16.39%和39.76%。θ30°构件在塑性变形阶段展现了最高的极限弯曲载荷（5.15kN），分别比θ45°（5.11 kN）、θ75°（4.51 KN）、θ60°（4.18 kN）和θ90°（4.38kN）构件高0.76%，12.44%，18.87%和32.49%。θ30°构件（10.55 J/g，238.11 MPa/g）和θ45°构件（10.54 J/g，233.04 MPa/g）表现出相近的SEA和比抗弯强度，其次分别是θ60°构件（8.52 J/g，205.96 MPa/g）、θ75°构件（8.65 J/g，200.87 MPa/g）和θ90°构件（6.72 J/g，161.86 MPa/g）。从上述对比可看出，随着分形角度的增大，激光粉末床熔融成形仿生蜂窝夹层构件的力学性能逐渐下降。对于电性能，θ30°构件（20.63 mΩ）表现出最高的电阻值，且分别比θ45°（18.47 mΩ）、θ60°（17.37 mΩ）、θ75°（15.93 mΩ）和θ90°（14.50 mΩ）构件的电阻值高11.69%、18.77%、29.50%和42.28%。因此，可看出分形特征的引入显著影响了激光粉末床熔融成形仿生蜂窝夹层构件的电阻值，从而对导电性能产生负面影响。对于具有不同出粉口数量的θ45°构件，N0构件在塑性阶段表现出最大的极限弯曲载荷（3.77 KN），分别比N2构件（3.63 KN）、N4构件（3.49 KN）和N6构件（3.22 KN）高3.71%、7.43%和14.59%。

图2 激光粉末床熔融成形具有不同分形角度的仿生蜂窝夹层构件

图3 分形角度对激光粉末床熔融成形仿生蜂窝夹层构件弯曲性能的影响

图4 出粉孔数量对激光粉末床熔融成形仿生蜂窝夹层构件（分形角度45°）弯曲性能的影响

结论

（1）分形角度显著影响了激光粉末床熔融成形仿生蜂窝夹层构件的成形性。随分形角度的减小，构件的成形性先变好后变差。这是由于分形特征的引入导致顶面板底部的悬垂距离的减小，提高了构件的成形性。然而，随分形角度的减小，θ30°构件倾斜的分形薄壁底面具有较差的成形性，因此θ45°构件表现出最高的成形精度，而θ90°构件的成形质量最低。

（2）分形角度明显影响了激光粉末床熔融成形仿生蜂窝夹层构件的弯曲力学性能。随分形角度从30°增加到90°，结构的极限弯曲载荷下降了32.49%，比能量吸收从10.55 J/g下降到6.72 J/g，比抗弯强度从238.11 MPa/g下降到161.86 MPa/g。这是由于分形特征的引入阻碍了力的传递从而耗散了大部分外力，导致结构的应力分布更均匀，从而提高了结构的弯曲力学性能。

（3）分形角度显著影响了激光粉末床熔融成形仿生蜂窝夹层构件的导电性能。随着分形角的增大，结构的电阻从20.63 mΩ减小到14.50 mΩ，导电性能逐渐提高。由于分形特征的引入，电流在分形薄壁和顶部面板交汇处堆积，引起电流密度集中，导致向底部面板流入的电流减小，从而降低了结构的导电性能。

（4）液滴性出粉口的设计对结构的弯曲性能产生了负面影响。随出粉口数量的增加，结构的比抗弯强度逐渐下降，且极限弯曲载荷下降了14.59%。这是由于液滴性出粉口的引入导致弯曲过程中应力集中在出粉口底端，结构在出粉口底端发生断裂，从而对结构的弯曲力学性能产生了负面影响。此外，由于316L不锈钢材料优异的导电性能，出粉口的设计对结构的导电性能影响较小，构件的电导率仍符合DOE提出的双极板指标要求。

（5）综合对具有不同分形角度的仿生蜂窝夹层构件进行成形性、弯曲力学性能和导电性能的研究，分形角度为45°、出粉口数量2的仿生蜂窝夹层结构具有最佳的综合性能。

前景与应用

本研究提出的激光粉末床熔融成形仿生蜂窝夹层金属双极板构件，为高性能、轻量化燃料电池双极板的结构设计及成形制造提供了新思路和新途径。燃料电池双极板性能的提高及重量的降低，能够显著提高燃料电池的功率密度，进一步拓展燃料电池在航空航天等高端领域的应用。

来源：增材制造硕博联盟

西交大卢秉恒院士、李涤尘教授顶刊丨功能驱动的宏-微结构一体化增材制造

研究现状：功能驱动的宏微结构一体化制造是科学家与工程师长期以来孜孜不倦追求的理想目标，增材制造技术提供了一个基于点、线、面、体的逐层叠加成形制造新方法，为实现传统减材/等材制造无法解决的宏微结构一体化制造提供了新的解决方案。30年来，西安交通大学基于功能驱动的宏微结构一体化增材制造的学术思想，针对金属、陶瓷、复合材料、生物材料等多种材料类型，创新工艺装备，推动增材制造技术在先进复合材料结构、超材料结构、植入物、高性能金属构件等功能结构制造的创新应用。研究难点或瓶颈：目前面临的困难在于增材制造技术的作用没有得到有效释放，从共性层面如何实现设计与制造的融合，现有设计方法应用增材制造技术会遇到许多挑战，必须从设计源头上发展多功能一体化的设计制造体系，才能使得增材制造获得最高应用价值。展望（发展趋势）：面向未来发展方面，需要进一步推动功能结构一体化增材制造技术研究创新研究与应用探索，重点推进微尺度3D打印与电子信息领域的融合，3D打印与催化/电池等新能源领域的学科交叉，生物医疗领域的类生命器官3D打印等，为未来的前沿领域发展拓展新空间。同时，需突破设计与制造技术的高度融合，实现产品价值链条驱动的多功能结构设计过程的智能化，开发具有在线监测与闭环控制等功能的增材制造装备智能运维系统，实现制造过程的智能化、结构设计与制造一体化；未来3D打印技术将进一步推动物理、化学、生物、信息等学科深度交叉，实现多功能结构融合设计与制造。关注我们, 万物皆可3D打印Xiaoyong Tian, Dichen Li, Qin Lian, Ling Wang, Zhongliang Lu, Ke Huang, Fu Wang, Qingxuan Liang, Hang Zhang, Zijie Meng, Jiankang He, Changning Sun, Tengfei Liu, Chunbao Huo, Lingling Wu, Bingheng Lu, Additive Manufacturing of Integrated Micro/Macro Structures Driven by Diversified Functions– 30 years of Development of Additive Manufacturing in Xi'an Jiaotong University, Additive Manufacturing Frontiers, Volume 3, Issue 2, 2024, 200140. https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200140.来源：增材制造硕博联盟