美國兩大學利用3D打印開發(fā)新型可設計微觀多孔結構，對比傳統(tǒng)材料更輕應用廣泛

2022年4月27日，南極熊獲悉，普林斯頓大學和佐治亞理工學院的研究人員，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)多孔結構的新技術。

△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

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

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

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

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

微觀發(fā)現(xiàn)，它們都有洞
許多自然界的結構材料，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，工程學如果可以模仿自然界的多孔結構，就可以獲得質的提升，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)化技術的幫助下找到了解決方案。在開發(fā)這項技術之前，它們設想的目標是，可以修改具有不同尺寸、形狀和方向的孔的微觀結構，實現(xiàn)可以個性化定制目標。

具體來說，該技術可以設計孔的形狀，例如設計成球體、菱形、柱形或扁豆形。或者通過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。

“這項新技術特別強大，它將材料架構與不同規(guī)模的優(yōu)化相結合，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)模化的意義上說，它可以有著廣泛的應用，因此它可以應用于納米和微觀技術，以及中尺度和宏觀尺度結構�！�

△受生物微觀多孔結構啟發(fā)的3D打印面部植入物。圖片來自普林斯頓大學

面部植入物和飛機零件
為了測試他們微結構的性能，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，不僅結構更加輕量化，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)微結構不能對比的。

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。

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

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