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LLNL開發(fā)超輕和超硬的3D打印晶格結(jié)構(gòu)

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美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種新型3D打印晶格結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)綜合了超輕結(jié)構(gòu)和高剛度的優(yōu)勢，打破了之前認(rèn)為需要展示此類特性的Maxwell設(shè)計(jì)規(guī)則。他們?yōu)榇藢ｉT開發(fā)了一個(gè)設(shè)計(jì)軟件，使用他們編寫的拓?fù)鋬?yōu)化軟件，創(chuàng)建了兩個(gè)由微架構(gòu)桁架組成的獨(dú)特單胞設(shè)計(jì)，其中一個(gè)被設(shè)計(jì)為具有各向同性(相同和全方位)材料特性。

SEM觀察到的使用投影顯微立體光刻打印技術(shù)得到的經(jīng)典的八位元晶格和拓?fù)鋬?yōu)化,

各向同性扁圓以及準(zhǔn)球形八面體晶格。

“強(qiáng)大”決定于“微小”之間

具有隨機(jī)微結(jié)構(gòu)的材料,如泡沫材料,典型的呈現(xiàn)出低的機(jī)械強(qiáng)度,而設(shè)計(jì)的具有微結(jié)構(gòu)的格柵結(jié)構(gòu)則經(jīng)常表現(xiàn)出顯著的提高的剛性.這些周期性的架構(gòu)材料在早先已經(jīng)被通過一定的規(guī)則進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使用的是Maxwell準(zhǔn)則來確保他們的變形主要受他們的棱柱的拉伸所制約。

經(jīng)典的設(shè)計(jì)遵循這一規(guī)則時(shí)則傾向于各向異性，其剛性依賴于載荷的方向，但在最近，各向同性設(shè)計(jì)曾經(jīng)被報(bào)道在疊加互補(bǔ)各向異性晶格的時(shí)候得以實(shí)現(xiàn)。

打破早先的設(shè)計(jì)規(guī)則

來自美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ）的研究人員設(shè)計(jì)了一類新的３D打印晶格結(jié)構(gòu)的材料，這一設(shè)計(jì)綜合了超輕和高剛性的優(yōu)勢，盡管這一設(shè)計(jì)打破了早先的設(shè)計(jì)規(guī)則所應(yīng)該具有的性質(zhì)。其中這一設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)額外的還呈現(xiàn)出在不同的方向施加力的時(shí)候均可均勻的進(jìn)行變形反應(yīng)。

LLNL的研究團(tuán)隊(duì)將這一成果發(fā)表在頂刊《 Science Advances》上所描述的那樣，研究團(tuán)隊(duì)在Seth Watts的領(lǐng)導(dǎo)下，使用拓?fù)鋬?yōu)化軟件，設(shè)計(jì)出兩種獨(dú)特的單元細(xì)胞的晶格設(shè)計(jì)方案。其組成為微結(jié)構(gòu)桁架，其中一個(gè)設(shè)計(jì)成各向同性的材料性質(zhì)（即各個(gè)方位性質(zhì)均一致）。這些新的結(jié)構(gòu)被制造之后并進(jìn)行了測試，研究發(fā)現(xiàn)其性能完勝八進(jìn)制的棱柱結(jié)構(gòu)，這是一種用于３D打印晶格結(jié)構(gòu)時(shí)的一種標(biāo)準(zhǔn)的形狀。

楊氏模量同單軸載荷狀態(tài)的方向（單元晶格的矢量）之間的關(guān)系

讓研究人員感到驚奇的是，其晶格柵架結(jié)構(gòu)看起來明顯違反了Maxwell準(zhǔn)則，這一準(zhǔn)則是一個(gè)結(jié)構(gòu)剛性的用于機(jī)械設(shè)計(jì)的處理辦法,該原則假設(shè)認(rèn)為結(jié)構(gòu)能夠承受的最大的有效載荷變形時(shí)只在拉伸的時(shí)候。在這一結(jié)構(gòu)中,剛性的大小同密度呈線性關(guān)系 —將材料結(jié)構(gòu)的重量減半的話只是將其剛性進(jìn)行了減半,相反的是,結(jié)構(gòu)的剛性的有效性則會(huì)減少三分之一或者八分之一。這一線性的尺度使得創(chuàng)造出超輕，超剛性的機(jī)械超材料成為可能。

根據(jù)論文的聯(lián)合作者Watts，一直以來研究人員認(rèn)為Maxwell 準(zhǔn)則在應(yīng)用低密度的高剛性材料的時(shí)候是必要和充分的。LLNL的研究結(jié)果證明這一準(zhǔn)則不再是一個(gè)必要的前提條件。換言之，,這里存在大量的棱柱具有這一線性的尺度準(zhǔn)則。

這一工作表明這一新的設(shè)計(jì)理念將會(huì)得到以前認(rèn)為的所不能得到的更好的材料性能，因?yàn)檫@一設(shè)計(jì)理念違反了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念。LLNL研究人員發(fā)現(xiàn)，這一工作同時(shí)也證明了使用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)之后，工程人員可以設(shè)計(jì)新的結(jié)構(gòu)來完勝采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念所得到的材料的性能。

研究人員對不同密度的樣品進(jìn)行了測試來觀察當(dāng)他們在不同的角度進(jìn)行壓縮的時(shí)候會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顛覆了經(jīng)典的八面體棱柱的設(shè)計(jì)理論。

研究人員稱各向同性的棱柱結(jié)構(gòu)可以拓展應(yīng)用于3D打印金屬和陶瓷，此外這對生物材料的應(yīng)用，如3D打印生物組織，需要進(jìn)行可調(diào)制的剛性時(shí)是非常重要的。在航天領(lǐng)域也會(huì)找到這方面的應(yīng)用。在無人機(jī)中或戰(zhàn)斗機(jī)中，例如，需要減輕重量的場合具有雙重的意義，增加了設(shè)備的可操控性和減少了設(shè)備的慣性，使得其具有優(yōu)異的性能。

輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)同時(shí)還可以減輕制造成本，燃油消耗和減少材料的浪費(fèi)。同時(shí)還擁有其他優(yōu)點(diǎn)，如對工程結(jié)構(gòu)來說可以具有更加優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。LLNL的長期研究目標(biāo)是轉(zhuǎn)向創(chuàng)造和使用LLNL最新的材料數(shù)據(jù)庫。

LLNL實(shí)驗(yàn)室正在持續(xù)開展他們的工作，包括完全表征所制備材料的晶格結(jié)構(gòu)的物理特征，在超越其線性彈性模量的前提下，包括傳熱、非線性機(jī)械性能、振動(dòng)和失效等情況下表征其物理特征。