人體骨骼或?qū)⒔饷苋绾窝娱L3D打印輕質(zhì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命

魔猴君  行業(yè)資訊   1806天前

泡沫、點陣這樣的微結(jié)構(gòu)材料通過幾何形狀獲得了卓越的機械性能，它們具有高剛度和強度，同時又保持極輕的性能。但是如果將具有這類結(jié)構(gòu)的零件應(yīng)用在耐用設(shè)備上，仍需在循環(huán)載荷下延長其使用壽命。

根據(jù)魔猴網(wǎng)的市場觀察，來自普渡大學(xué)等科研機構(gòu)的研究團隊受到天然松質(zhì)骨骼微觀結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，找到了延長這類結(jié)構(gòu)疲勞壽命卻極少增加重量的方法。研究團隊分析了人類骨骼中水平支撐結(jié)構(gòu)如何“抵抗”磨損的原理，并將這一原理轉(zhuǎn)化為設(shè)計3D打印輕量化結(jié)構(gòu)的方法。這類3D打印輕量化結(jié)構(gòu)在應(yīng)用于建筑物、飛機或其他領(lǐng)域時將具有足夠的壽命。

研究論文Bone-inspired microarchitectures achieve enhanced fatigue life發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》中。

模仿人體骨小梁結(jié)構(gòu)的3D打印聚合物模型。來源：普渡大學(xué)

水平支撐影響疲勞壽命

人體骨骼通過小梁的海綿狀結(jié)構(gòu)獲得耐用性，這種海綿狀結(jié)構(gòu)是由相互連接的垂直柱狀支撐和水平桿狀支撐作為柱和梁組成的網(wǎng)絡(luò)。小梁越密集骨骼在日?；顒又芯驮接袕椥?，但是疾病和年齡會影響這種密度。

人類股骨的圖像顯示出相互連接的白線，這些線構(gòu)成了小梁結(jié)構(gòu)。

來源：普渡大學(xué)

研究團隊指出，當人們衰老時他們的骨骼中首先失去的是水平支撐，這一狀況將增加骨骼在多個循環(huán)載荷作用下斷裂的可能性。研究團隊發(fā)現(xiàn)，垂直的柱狀支撐結(jié)構(gòu)與骨骼的剛度、強度相關(guān)，而水平的支撐結(jié)構(gòu)與骨骼疲勞壽命有關(guān)。

研究團隊進行了機械分析模擬，以確定水平支撐結(jié)構(gòu)在人體骨骼中的作用是否比以前認為的要大。然后，他們設(shè)計了具有與骨小梁相似的3D打印聚合物。

與骨小梁具有相同數(shù)量水平、垂直支撐桿的3D打印模型。

來源：普渡大學(xué)

研究團隊在循環(huán)載荷下對骨骼的微觀結(jié)構(gòu)進行仿真時，能夠看到應(yīng)變會集中在這些水平支桿上，并且通過增加這些水平支桿的厚度，能夠減輕一些觀察到的應(yīng)變，當向3D打印的聚合物施加載荷時，水平支撐桿越厚，聚合物承受載荷的時間就越長。

研究論文中指出，研究團隊通過3D打印的微結(jié)構(gòu)模型發(fā)現(xiàn)，水平支撐結(jié)構(gòu)的單元厚度的小幅增加可以使疲勞壽命增加10到100倍，遠遠超過了相關(guān)密度變化的預(yù)期。根據(jù)普渡大學(xué)的報道，研究團隊將水平支撐結(jié)構(gòu)的厚度增加約30％時，人造材料的使用壽命可能會延長100倍。

由于增厚水平支撐結(jié)構(gòu)不會顯著增加3D打印聚合物的重量，因此研究人員認為，這種設(shè)計方式對于創(chuàng)建更具彈性和更長疲勞壽命的輕量化材料具有意義。