美國西北大學(xué)多材料3D打印仿生螺旋結(jié)構(gòu)

作者： 侯章浩，田小永
來源：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

螺旋結(jié)構(gòu)普遍存在于動植物結(jié)構(gòu)中，而這些生物結(jié)構(gòu)往往具有較高的損傷抗性，具有優(yōu)異的抗斷裂性能。然而傳統(tǒng)工藝難以制造出復(fù)雜的仿生結(jié)構(gòu)，許多優(yōu)異的生物結(jié)構(gòu)高性能機(jī)理無法進(jìn)一步研究。美國西北大學(xué)的Zaheri等利用Stratasys開發(fā)的多材料3D打印機(jī)Connex350對螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿生打印，借此研究螺旋結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)損傷容限性能。

Zaheri等將研究成果發(fā)表在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》上，在文中系統(tǒng)分析了甲蟲在不同生命階段的鞘翅中纖維的排布特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)甲蟲根據(jù)根據(jù)不同生命階段的生物需求，鞘翅中纖維的排布是不同的，如圖1所示，在幼蟲階段，纖維是完全螺旋排布；而在成熟階段，纖維呈現(xiàn)不完全的螺旋排布。這是因?yàn)樵谟紫x階段，甲蟲最大的需求是保護(hù)自身安全，因此通過纖維完全排布達(dá)到高剛度的生物目的；而在甲蟲成熟階段，甲蟲需要哺食獵物，因此鞘翅要平衡飛行性能，所以采用不完全的螺旋排布設(shè)計(jì)。

圖1 甲蟲在不同生長階段的結(jié)構(gòu)形態(tài)：幼蟲（TypeⅠ）和成熟期（TypeⅡ）

論文中對不同螺旋角度對結(jié)構(gòu)綜合性能的影響進(jìn)行了系統(tǒng)分析，實(shí)驗(yàn)及分析表明較低的單層螺旋角可產(chǎn)生改善的各向同性和增強(qiáng)的韌性，螺旋結(jié)構(gòu)具有較高的靈活性。

生物中有很多優(yōu)異的結(jié)構(gòu)可以為人類提供嶄新的思路，為工程中的問題提供解決方案，為新材料和新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供嶄新的設(shè)計(jì)思路。類似螺旋結(jié)構(gòu)，3D打印為其研究提供了有效技術(shù)支撐，為仿生材料的應(yīng)用提供了實(shí)現(xiàn)途徑，未來，隨著3D打印的發(fā)展仿生研究將進(jìn)入全新的領(lǐng)域。

作者： 侯章浩，田小永
來源：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室