緬因大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)新方法，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)輕質(zhì)3D打印部件強(qiáng)度

導(dǎo)讀：3D打印技術(shù)因能夠制造外殼結(jié)構(gòu)和最少內(nèi)部材料組成的高強(qiáng)度、低重量部件，在航空航天、汽車及建筑等行業(yè)受到廣泛關(guān)注。然而，輕量化部件的結(jié)構(gòu)可靠性一直是制約大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。

△預(yù)測(cè)輕質(zhì)3D打印物體強(qiáng)度的新方法

2025年8月3日，南極熊獲悉，緬因大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料中心（ASCC）的研究團(tuán)隊(duì)宣稱，正在研究一種提高輕量化3D打印部件可靠性的新方法，以顯著提升輕量化3D打印部件的可靠性。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的是研究工程師Philip Bean、機(jī)械工程教授Senthil Vel和土木工程教授Roberto Lopez-Anido，為解決這一挑戰(zhàn)，開發(fā)了一種全新的強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法。該方法能夠?qū)⑾冗M(jìn)的計(jì)算機(jī)建模與螺旋填充3D打印圖案的實(shí)際物理測(cè)試相結(jié)合，以評(píng)估組件在不同壓力條件下的表現(xiàn)。這一創(chuàng)新不僅有助于優(yōu)化部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還能在保障安全的前提下進(jìn)一步減輕重量、節(jié)約材料成本。

△螺旋填充結(jié)構(gòu)分析示例

壓力如何影響輕質(zhì)3D打印部件

研究通過結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算機(jī)建模與實(shí)際物理測(cè)試，專注于螺旋填充結(jié)構(gòu)——一種常用于3D打印的復(fù)雜且重復(fù)的內(nèi)部圖案，能夠在減輕重量的同時(shí)保持結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。這種結(jié)構(gòu)因?yàn)槟軌蚓鶆蚍植紤?yīng)力而備受青睞。

△四點(diǎn)彎曲夾具中的螺旋夾層試樣

為了深入理解螺旋填充結(jié)構(gòu)在不同負(fù)載條件下的性能，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了詳盡的計(jì)算機(jī)模擬，以預(yù)測(cè)螺旋填充結(jié)構(gòu)機(jī)械響應(yīng)。之后，研究人員制造了實(shí)體原型，并進(jìn)行了實(shí)際的壓力測(cè)試，驗(yàn)證了模擬結(jié)果，并進(jìn)一步揭示了填充結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)行為。

研究人員指出：“半經(jīng)驗(yàn)方程簡化了強(qiáng)度預(yù)測(cè)過程，便于將螺旋填充結(jié)構(gòu)應(yīng)用于設(shè)計(jì)決策或優(yōu)化程序。通過執(zhí)行壓縮和剪切試驗(yàn)，我們驗(yàn)證了有限元分析（FEA）預(yù)測(cè)的強(qiáng)度與實(shí)際制造數(shù)據(jù)之間的一致性。所提出的分析方法可以輕松地拓展到其它填充類型的類似性能預(yù)測(cè)中�！�

△相關(guān)研究已發(fā)表在《additive manufacturing》期刊，題目為“研究螺旋填充體的非線性響應(yīng)以預(yù)測(cè)有效屈服強(qiáng)度”（傳送門）

螺旋填充提高了性能和材料效率

傳統(tǒng)的分析方法往往難以準(zhǔn)確解釋復(fù)雜的內(nèi)部幾何形狀。然而，這項(xiàng)研究的方法為理解螺旋填充結(jié)構(gòu)如何影響部件的整體強(qiáng)度和性能提供了新的視角。這種更深入的理解賦予了工程師在平衡材料效率與結(jié)構(gòu)完整性時(shí)做出更明智設(shè)計(jì)決策的能力。

△剪切模型結(jié)果

研究的首席研究員之一，Bean博士解釋說，這項(xiàng)工作提高了工程師設(shè)計(jì)3D打印部件時(shí)的信心和效率。通過精確了解螺旋填充結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，設(shè)計(jì)師能夠在減少材料使用的同時(shí)，提升各行各業(yè)的性能表現(xiàn)。

此外，該研究預(yù)計(jì)將為航空航天、汽車以及醫(yī)療器械制造等行業(yè)帶來顯著優(yōu)勢(shì)，這些領(lǐng)域?qū)Ω邚?qiáng)度和輕質(zhì)材料的需求尤為迫切。通過增強(qiáng)強(qiáng)度預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，這項(xiàng)研究有助于優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提升性能和材料的使用效率。