賓夕法尼亞大學(xué)通過(guò)引入無(wú)序設(shè)計(jì)提升3D打印部件強(qiáng)度韌性2.6倍

2025年3月8日，南極熊獲悉，賓夕法尼亞大學(xué)工程學(xué)院的研究人員通過(guò)在3D打印機(jī)械超材料中引入受控?zé)o序幾何設(shè)計(jì)，可以顯著提升材料的抗裂性能。

△三種具有不同無(wú)序程度的代表性設(shè)計(jì)。中間的設(shè)計(jì)平衡了有序性和無(wú)序性，以實(shí)現(xiàn)3D打印部件最大的韌性

機(jī)械超材料采用3D打印和激光切割等數(shù)字制造技術(shù)生產(chǎn)，具有強(qiáng)度和剛度增強(qiáng)等獨(dú)特性能。然而，它們的易碎性一直是一大限制。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)整內(nèi)部幾何形狀而不是材料本身，韌性可以提高2.6倍。

△相關(guān)研究已發(fā)表在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊Nexus上，題目為“無(wú)序增強(qiáng)了二維機(jī)械超材料的斷裂韌性”（傳送門）

大自然常常利用結(jié)構(gòu)無(wú)序性來(lái)提升材料的耐久性，例如在骨頭、珍珠層（即貝殼內(nèi)壁的彩虹層）以及貽貝足絲中都能找到這種策略。受這些生物材料的啟發(fā)，賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員對(duì)3D打印機(jī)械超材料中的無(wú)序結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入測(cè)試。他們從標(biāo)準(zhǔn)的三角形晶格結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過(guò)系統(tǒng)地調(diào)整三角形節(jié)點(diǎn)的交點(diǎn)位置，探索了不同程度的無(wú)序性對(duì)材料性能的影響。

△賓夕法尼亞大學(xué)工程學(xué)院教授Fulco（右）和Turner（左）展示了他們?nèi)绾卫霉鈦?lái)評(píng)估機(jī)械應(yīng)力對(duì)超材料的影響

無(wú)序幾何設(shè)計(jì)提高3D打印部件強(qiáng)度

論文的主要作者Sage Fulco解釋道：“表現(xiàn)最好的樣品，裂縫最難擴(kuò)展，并不是由規(guī)則的重復(fù)圖案組成。這種設(shè)計(jì)方法模仿了骨頭和珍珠母等天然材料，它們利用微觀不規(guī)則性來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的彈性。

研究團(tuán)隊(duì)使用激光切割的聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 樣品測(cè)試了他們的概念，并進(jìn)行了數(shù)千次計(jì)算模擬。他們的研究結(jié)果表明，雖然無(wú)序結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度略有降低（≤25%），但它們保持了與傳統(tǒng)有序晶格相似的剛度水平，同時(shí)顯著提高了抗裂性。

研究人員利用光彈性成像觀察到，無(wú)序晶格中的裂紋會(huì)蔓延到更廣泛的區(qū)域，而不是沿著有序結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的直線路徑。這種分布式損傷模式有助于解釋不規(guī)則設(shè)計(jì)的增強(qiáng)韌性。

△與結(jié)構(gòu)更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)（頂部）相比，無(wú)序性更強(qiáng)的設(shè)計(jì)（底部）更不容易破裂，紅點(diǎn)的分散性就是明證

與傳統(tǒng)的增韌方法相比，這種新方法具有實(shí)用優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼉H依賴于幾何修改，而不是材料添加或特殊涂層。賓夕法尼亞大學(xué)工程學(xué)院教授Kevin Turner表示，雖然無(wú)序系統(tǒng)帶來(lái)了更復(fù)雜的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，但它們可以使用3D打印和激光切割等現(xiàn)有的制造方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

賓夕法尼亞大學(xué)工程學(xué)院的最新研究為機(jī)械超材料在諸如航空航天等對(duì)韌性要求極高的行業(yè)中的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)借鑒天然材料的原理，工程師們現(xiàn)在能夠設(shè)計(jì)出既強(qiáng)韌又具有彈性的結(jié)構(gòu)。研究人員期望他們的發(fā)現(xiàn)能夠激發(fā)材料科學(xué)領(lǐng)域?qū)o(wú)序模式的進(jìn)一步探索，從而為現(xiàn)實(shí)世界應(yīng)用帶來(lái)更強(qiáng)大、更具適應(yīng)性的材料。

總的來(lái)說(shuō)，這一發(fā)現(xiàn)為3D打印材料的耐用性提升開(kāi)辟了新的道路，尤其重要的是，這一進(jìn)步是在不改變材料基本成分的前提下實(shí)現(xiàn)的。