RMIT 3D打印新型超硬能量吸收晶格結構，適用于建筑、醫療和安全領域
時間：2025-03-15 10:36 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2025年3月14日，來自皇家墨爾本理工大學的研究人員開發出了一種仿生晶格結構 (BLS)，剛度比現有的膨脹材料高 13 倍，能量吸收率高 10%。晶格結構受到深海六足海綿Euplectella aspergillum （俗稱維納斯花籃）的啟發，在 60% 更大的應變范圍內保留了膨脹特性，可應用于建筑、防護裝備和醫療植入物。
△Euplectella aspergillum的骨骼系統，
相關研究以題為“Auxetic behavior and energyabsorption characteristics of a lattice structure inspired by deep-sea sponge”的論文發表在《復合結構》期刊上。
與傳統材料在拉伸時變薄、在壓縮時膨脹不同，膨脹材料的行為則相反。這種特性此前已應用于醫療支架等領域，在這些領域，控制膨脹至關重要。然而，現有的膨脹材料通常剛度較低，能量吸收有限，限制了更廣泛的應用。然而，傳統的膨脹設計，如凹入式蜂窩結構，歷來存在剛度低、能量吸收有限的問題，限制了它們的實際應用。據這項研究的主要作者馬嘉明博士介紹，他們通過開發一種雙晶格結構來解決這一限制，這種結構可以優化負載分布和抗變形能力。
△Mike Xie 教授和 Jiaming Ma 博士手持團隊的雙晶格設計的 3D 打印模型。照片來自皇家墨爾本理工大學。
增強剛度和能量吸收
為了測試結構性能，研究人員使用 3D 打印熱塑性聚氨酯 (TPU) 制作了原型。選擇TPU材料是因為它的靈活性，使團隊能夠研究結構在壓縮載荷下的膨脹行為。準靜態壓縮測試證實，仿生晶格在結構破壞之前能夠承受更高的峰值應力，同時比傳統設計在更寬的應變范圍內保持其膨脹行為。
有限元分析 (FEA) 模擬進一步表明，雙晶格結構可增強剛度和能量吸收。剛度增加 13 倍，能量吸收提高 10%，這表明這些增強是結構設計本身而不是其所用材料的結果。該研究還檢查了晶格幾何變化如何影響性能，結果表明增加非對角梁的厚度可提高剛度，而擴大對角梁之間的間距可提高能量吸收。
合著者 Ngoc San Ha 博士強調了這種結構設計在抗震建筑中的潛在應用，其高剛度和能量吸收可以減少對鋼材和混凝土的需求，同時保持結構完整性。除了建筑用途之外，晶格結構還可以用于輕型裝甲、防彈背心和抗沖擊醫療植入物等能量吸收至關重要的領域。
雖然最初的原型是使用 TPU 制造的，但下一階段的研究將側重于使用鋼基版本擴大生產。研究團隊還在探索機器學習算法，以進一步優化不同應用的結構，包括具有可調機械性能的可編程材料。研究團隊表示，通過進一步改進，膨脹晶格結構可以為建筑、安全和醫療行業提供更高效、更靈活的解決方案。
△雙晶格結構（左）的性能優于標準凹入式蜂窩設計（右）。照片來自皇家墨爾本理工大學。
RMIT 主導的材料研究
這項研究與RMIT在材料科學和3D打印領域的更廣泛努力相一致，旨在推動各個行業更強大、更輕、更高效的結構。去年，這所澳大利亞大學開發了一種3D 打印鈦超材料，其強度比航空航天應用中使用的密度相同的最強鎂合金高出 50%。空心支柱晶格 (HLS) 結構由 Ti-6Al-4V 鈦合金制成，采用多拓撲設計來均勻分布負載應力，減少弱點并增強機械強度。
超結構采用粉末床熔合 (PBF) 增材制造技術制造，克服了之前在可制造性和應力集中方面的挑戰。壓縮測試證實了該材料的耐用性有所提高，使其適用于醫療植入物、飛機和火箭部件。由于具有生物相容性、耐腐蝕性和高達 350°C 的耐熱性，它有望用于高性能應用，甚至有可能適應更高的溫度。
此外，RMIT 的研究人員通過模仿龍蝦的螺旋殼圖案優化了 3D 打印混凝土結構，提高了耐久性和負載分布。通過使用基于擠壓的混凝土 3D 打印機調整打印圖案，他們實現了更大的各向同性，減少了傳統層堆疊混凝土中常見的弱界面粘結。
進一步使用 6 毫米鋼纖維（0.75%）進行加固，增強了結構完整性，最大限度地減少了缺陷，并加速了硬化，從而可以建造更高、更復雜的結構。該團隊計劃在澳大利亞政府創新連接基金的資助下，將其研究擴展到 3D 打印房屋、再生材料和隔音墻。
(責任編輯：admin)
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