《AM》論文：中科院福建物構(gòu)所3D打印仿生結(jié)構(gòu)研究獲進展

來源： 福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所

具有復合特征的仿生結(jié)構(gòu)因獨特的機械性能，為各種工程應(yīng)用開發(fā)設(shè)計優(yōu)異性能的結(jié)構(gòu)提供了設(shè)計思路。然而，在仿生制造和設(shè)計這些復雜精細結(jié)構(gòu)時，在模具成型和復雜結(jié)構(gòu)驗證等方面常常受到加工條件限制。3D打印可快速制造各種復雜結(jié)構(gòu)，為仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制造和驗證提供了新方法。 　　  

仿生（a）兼具剛硬和韌性結(jié)構(gòu)來設(shè)計（b）分級彎曲和拉伸主導的混合晶格結(jié)構(gòu)

中國科學院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所研究員吳立新團隊面向輕量化3D打印結(jié)構(gòu)在鞋業(yè)和汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用開展研究。受自然界生物結(jié)構(gòu)兼具剛度和柔韌性的特征啟發(fā)，科研人員通過分級彎曲和拉伸主導的結(jié)構(gòu)來設(shè)計混合架構(gòu)的晶格。進一步，該工作使用純樹脂及高二氧化硅固含的復合材料，采用3D打印方式制備了以上晶格結(jié)構(gòu)，并將結(jié)果與理論分析數(shù)據(jù)進行比較以驗證設(shè)計合理性。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)設(shè)計比單一晶格拓撲結(jié)構(gòu)的模量和應(yīng)變能量密度提高了7倍。添加填料進一步將結(jié)構(gòu)的剛度提高12倍以上，且減少了結(jié)構(gòu)屈曲。此外，該工作還評估了帶有石墨烯基涂層表面的混合晶格設(shè)計特性。該研究設(shè)計的晶格結(jié)構(gòu)具有良好的彈性恢復能力，且功能化特性也得到了拓展。

相關(guān)研究成果發(fā)表在Additive Manufacturing上。研究工作得到福建省“揭榜掛帥”重大專項和閩都創(chuàng)新實驗室自主部署關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項目的支持。

之前，科研人員將3D打印用于防滑鞋底設(shè)計。仿照樹蛙等動物的足底結(jié)構(gòu)進行仿生設(shè)計，結(jié)合材料研發(fā)和有限元計算，通過3D打印獲得在潮濕表面仍有良好摩擦力的結(jié)構(gòu)。上述成果表明，3D打印可用于具有優(yōu)異性能的仿生結(jié)構(gòu)制造和驗證。


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https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103451