RMIT 3D打印新型超硬能量吸收晶格結(jié)構(gòu)，適用于建筑、醫(yī)療和安全領(lǐng)域

2025年3月14日，南極熊獲悉，來(lái)自皇家墨爾本理工大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出了一種仿生晶格結(jié)構(gòu) (BLS)，剛度比現(xiàn)有的膨脹材料高 13 倍，能量吸收率高 10%。晶格結(jié)構(gòu)受到深海六足海綿Euplectella aspergillum （俗稱維納斯花籃）的啟發(fā)，在 60% 更大的應(yīng)變范圍內(nèi)保留了膨脹特性，可應(yīng)用于建筑、防護(hù)裝備和醫(yī)療植入物。

△Euplectella aspergillum的骨骼系統(tǒng)，

相關(guān)研究以題為“Auxetic behavior and energyabsorption characteristics of a lattice structure inspired by deep-sea sponge”的論文發(fā)表在《復(fù)合結(jié)構(gòu)》期刊上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118835

與傳統(tǒng)材料在拉伸時(shí)變薄、在壓縮時(shí)膨脹不同，膨脹材料的行為則相反。這種特性此前已應(yīng)用于醫(yī)療支架等領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域，控制膨脹至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有的膨脹材料通常剛度較低，能量吸收有限，限制了更廣泛的應(yīng)用。

然而，傳統(tǒng)的膨脹設(shè)計(jì)，如凹入式蜂窩結(jié)構(gòu)，歷來(lái)存在剛度低、能量吸收有限的問(wèn)題，限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。據(jù)這項(xiàng)研究的主要作者馬嘉明博士介紹，他們通過(guò)開(kāi)發(fā)一種雙晶格結(jié)構(gòu)來(lái)解決這一限制，這種結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化負(fù)載分布和抗變形能力。

△Mike Xie 教授和 Jiaming Ma 博士手持團(tuán)隊(duì)的雙晶格設(shè)計(jì)的 3D 打印模型。照片來(lái)自皇家墨爾本理工大學(xué)。

增強(qiáng)剛度和能量吸收

為了測(cè)試結(jié)構(gòu)性能，研究人員使用 3D 打印熱塑性聚氨酯 (TPU) 制作了原型。選擇TPU材料是因?yàn)樗撵`活性，使團(tuán)隊(duì)能夠研究結(jié)構(gòu)在壓縮載荷下的膨脹行為。

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮測(cè)試證實(shí)，仿生晶格在結(jié)構(gòu)破壞之前能夠承受更高的峰值應(yīng)力，同時(shí)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)在更寬的應(yīng)變范圍內(nèi)保持其膨脹行為。

有限元分析 (FEA) 模擬進(jìn)一步表明，雙晶格結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)剛度和能量吸收。剛度增加 13 倍，能量吸收提高 10%，這表明這些增強(qiáng)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身而不是其所用材料的結(jié)果。

該研究還檢查了晶格幾何變化如何影響性能，結(jié)果表明增加非對(duì)角梁的厚度可提高剛度，而擴(kuò)大對(duì)角梁之間的間距可提高能量吸收。

合著者 Ngoc San Ha 博士強(qiáng)調(diào)了這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在抗震建筑中的潛在應(yīng)用，其高剛度和能量吸收可以減少對(duì)鋼材和混凝土的需求，同時(shí)保持結(jié)構(gòu)完整性。

除了建筑用途之外，晶格結(jié)構(gòu)還可以用于輕型裝甲、防彈背心和抗沖擊醫(yī)療植入物等能量吸收至關(guān)重要的領(lǐng)域。

雖然最初的原型是使用 TPU 制造的，但下一階段的研究將側(cè)重于使用鋼基版本擴(kuò)大生產(chǎn)。研究團(tuán)隊(duì)還在探索機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以進(jìn)一步優(yōu)化不同應(yīng)用的結(jié)構(gòu)，包括具有可調(diào)機(jī)械性能的可編程材料。

研究團(tuán)隊(duì)表示，通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)，膨脹晶格結(jié)構(gòu)可以為建筑、安全和醫(yī)療行業(yè)提供更高效、更靈活的解決方案。

△雙晶格結(jié)構(gòu)（左）的性能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)凹入式蜂窩設(shè)計(jì)（右）。照片來(lái)自皇家墨爾本理工大學(xué)。

RMIT 主導(dǎo)的材料研究

這項(xiàng)研究與RMIT在材料科學(xué)和3D打印領(lǐng)域的更廣泛努力相一致，旨在推動(dòng)各個(gè)行業(yè)更強(qiáng)大、更輕、更高效的結(jié)構(gòu)。

去年，這所澳大利亞大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種3D 打印鈦超材料，其強(qiáng)度比航空航天應(yīng)用中使用的密度相同的最強(qiáng)鎂合金高出 50%?？招闹еЦ?(HLS) 結(jié)構(gòu)由 Ti-6Al-4V 鈦合金制成，采用多拓?fù)湓O(shè)計(jì)來(lái)均勻分布負(fù)載應(yīng)力，減少弱點(diǎn)并增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度。

超結(jié)構(gòu)采用粉末床熔合 (PBF) 增材制造技術(shù)制造，克服了之前在可制造性和應(yīng)力集中方面的挑戰(zhàn)。壓縮測(cè)試證實(shí)了該材料的耐用性有所提高，使其適用于醫(yī)療植入物、飛機(jī)和火箭部件。由于具有生物相容性、耐腐蝕性和高達(dá) 350°C 的耐熱性，它有望用于高性能應(yīng)用，甚至有可能適應(yīng)更高的溫度。

此外，RMIT 的研究人員通過(guò)模仿龍蝦的螺旋殼圖案優(yōu)化了 3D 打印混凝土結(jié)構(gòu)，提高了耐久性和負(fù)載分布。通過(guò)使用基于擠壓的混凝土 3D 打印機(jī)調(diào)整打印圖案，他們實(shí)現(xiàn)了更大的各向同性，減少了傳統(tǒng)層堆疊混凝土中常見(jiàn)的弱界面粘結(jié)。

進(jìn)一步使用 6 毫米鋼纖維（0.75%）進(jìn)行加固，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)完整性，最大限度地減少了缺陷，并加速了硬化，從而可以建造更高、更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在澳大利亞政府創(chuàng)新連接基金的資助下，將其研究擴(kuò)展到 3D 打印房屋、再生材料和隔音墻。