美國兩大學(xué)利用3D打印開發(fā)新型可設(shè)計微觀多孔結(jié)構(gòu)，對比傳統(tǒng)材料更輕應(yīng)用廣泛

2022年4月27日，南極熊獲悉，普林斯頓大學(xué)和佐治亞理工學(xué)院的研究人員，受大自然早已存在的微觀孔隙啟發(fā)，研發(fā)了一種使用骨骼和木材等作為3D打印原材料，可實現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)的新技術(shù)。

△該團隊在骨頭、木頭和動物角中發(fā)現(xiàn)的不同種類的微孔，受此啟發(fā)。圖片來自普林斯頓大學(xué)

這種全新的結(jié)構(gòu)，據(jù)稱有著旋節(jié)線微結(jié)構(gòu)的特殊孔，特點是這些孔可以被設(shè)計和微調(diào)，以適用于各種零件和特殊性能。另外，使用這些多孔結(jié)構(gòu)制造的物體，通常比完全密集的對應(yīng)物更輕，同時可提供定制的剛度和曲線。

該團隊已經(jīng)利用SLA 3D打印技術(shù)制作了幾個基于旋節(jié)微結(jié)構(gòu)的零件原型，包括面部植入物和輕型飛機發(fā)動機部件。

Trento大學(xué)教授 Davide Bigoni說：“該研發(fā)團隊找到了一種巧妙的技術(shù)方法，可以在不同架構(gòu)之間實現(xiàn)平滑過渡（無論制造什么），這是仿生學(xué)的終極目標�！�

△該研究的更多細節(jié)可以在標題為《用于多尺度設(shè)計和制造的旋節(jié)線構(gòu)架材料》的論文中找到。（點我傳送門）

微觀發(fā)現(xiàn)，它們都有洞
許多自然界的結(jié)構(gòu)材料，如骨頭、牛角和木材，都是高度多孔的。除了使材料變輕外，孔隙還可以具有特定的功能，比如允許液體通過。對于骨骼來說，微孔也有助于重塑過程，在外力的作用下，微孔可以增加或減少骨骼的密度。

因此，工程學(xué)如果可以模仿自然界的多孔結(jié)構(gòu)，就可以獲得質(zhì)的提升，但開發(fā)具有相似特性的合成材料非常具有挑戰(zhàn)性。

普林斯頓團隊在拓撲優(yōu)化技術(shù)的幫助下找到了解決方案。在開發(fā)這項技術(shù)之前，它們設(shè)想的目標是，可以修改具有不同尺寸、形狀和方向的孔的微觀結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)可以個性化定制目標。

具體來說，該技術(shù)可以設(shè)計孔的形狀，例如設(shè)計成球體、菱形、柱形或扁豆形�；蛘咄ㄟ^改變孔的形狀和方向，可以加載具有不同剛度分布的材料，同時可以改變孔的大小以控制材料的密度。

“這項新技術(shù)特別強大，它將材料架構(gòu)與不同規(guī)模的優(yōu)化相結(jié)合，并且與增材制造可以完美配合，”該項目的首席研究員Glaucio Paulino說�！皬囊�(guī)�；�的意義上說，它可以有著廣泛的應(yīng)用，因此它可以應(yīng)用于納米和微觀技術(shù)，以及中尺度和宏觀尺度結(jié)構(gòu)�！�

△受生物微觀多孔結(jié)構(gòu)啟發(fā)的3D打印面部植入物。圖片來自普林斯頓大學(xué)

面部植入物和飛機零件
為了測試他們微結(jié)構(gòu)的性能，研究人員首先使用3D打印了面部骨骼植入物的原型。傳統(tǒng)的材料通常采用金屬鈦制成，但使用它們的微孔骨骼植入物，不僅結(jié)構(gòu)更加輕量化，還可使骨骼更好的相融，這是傳統(tǒng)的面部骨骼植入物與可定制旋節(jié)微結(jié)構(gòu)不能對比的。

在這種情況下，研究小組將柱狀孔和扁豆形孔結(jié)合在一起，形成了一種足夠堅硬，可以承受咀嚼力和可以促進骨骼生長的微孔植入物。盡管測試部件用的是樹脂制成的原型，但它同樣適用于生物相容性材料進行3D打印，未來會進一步進行測試。

“更好的不是基礎(chǔ)材料。而是微觀特征，”該研究的合著者Emily Sanders補充道�！袄碚撋希�我們可以用任何材料制造更加強大的結(jié)構(gòu)——這里面的奧秘就是生物相容性材料�！�

該團隊還使用3D打印了一個微孔結(jié)構(gòu)噴氣發(fā)動機支架：一個既堅固又輕便的航空關(guān)鍵部件。同時，該團隊能夠在整個3D打印零件中，從一個微觀結(jié)構(gòu)到另一個微觀結(jié)構(gòu)的平滑過渡，通過理解生物孔隙原理，而不會在微觀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生薄弱點。未來可能會更適合應(yīng)用于更強大的零件設(shè)計。